ЭЛЕКТРОПРИВОД
3.1. Уравнение движения электропривода
Электропривод представляет комплекс электрических машин, аппаратов и систем управления, в котором электродвигатели кон- структивно связаны с исполнительным механизмом. Параметры элементов электропривода выбираются таким образом, чтобы бы- ла обеспечена возможность выполнения требуемого производст- венного процесса.
Электроприводы бывают индивидуальными, групповыми и многодвигательными.
При индивидуальном электроприводе каждый производст- венный механизм имеет собственный электрический двигатель. Примером индивидуального электропривода могут служить элек- троприводы плунжерных и центробежных насосов.
При групповом электроприводе с помощью одного электродви- гателя осуществляется работа нескольких механизмов. В качестве примера группового электропривода может рассматриваться элек- тропривод лебёдки и роторного стола буровой установки БУ−80БрЭ.
Многодвигательный электропривод включает в себя несколь- ко двигателей, каждый из которых приводит в движение отдель- ный рабочий орган производственного механизма. Характерным примером механизмов, в которых применяется многодвигатель- ный электропривод, являются мостовые и башенные краны, ме- таллообрабатывающие станки.
В нефтегазовой отрасли наибольшее распространение полу- чили индивидуальные электроприводы механизмов.
Работа производственных механизмов с приводом от элек- трических двигателей часто сопровождается изменением скорости движения его звеньев. Причинами изменения скорости являются
колебания механической нагрузки, непостоянство напряжения пи- тающей сети, регулирование частоты напряжения и т.д. Особенно большие изменения скорости имеют место в режимах пуска и тор- можения электропривода.
Время, затрачиваемое на осуществление процессов пуска и торможения, является непроизводительным. В производствен- ных механизмах с частыми пусками и торможениями, например в буровых лебёдках, общее время пусковых и тормозных режимов является достаточно большим, что негативно сказывается на про- изводительности буровых установок. Очевидна необходимость мер по сокращению времени, затрачиваемого на осуществление процессов пуска и торможения.
Исследование характера движения рабочего агрегата и его от- дельных органов может быть произведено на основе решения уравнения движения, которое получается из рассмотрения энерге- тического баланса системы электродвигатель − рабочая машина:
где P д
P д - Р с = Р дин,
− мощность, развиваемая движущими силами;
(1)
Р с − мощ-
ность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления в систе-
ме;
P дин − динамическая мощность, характеризующая изменение
кинетической энергии системы.
Электрические двигатели, с помощью которых осуществляет- ся преобразование электрической энергии в механическую энер- гию, в своём большинстве обеспечивают вращательное движение вала ротора. Значительная часть производственных механизмов также имеет вращающиеся рабочие органы. Для данного случая уравнение энергетического баланса системы, вращающейся с уг- ловой частотой ω, может быть преобразовано к виду
где M д
M д - M c = M дин,
– момент, развиваемый движущими силами;
(2)
M c – стати-
ческий момент исполнительного механизма, обусловленный сила-
ми сопротивлений; M дин
– динамический момент.
Для расчёта динамического момента в общем случае исполь- зуется выражение
d w w2 dJ
М дин = J dt +
,
2 d a
(3)
где J − момент инерции системы электропривода; a – угол пово- рота рабочего органа исполнительного механизма.
Уравнение (2) называется уравнением движения электропри- вода.
В частном случае, когда момент инерции системы электро- привода не зависит от угла поворота рабочего органа, уравнение движения приводится к следующей форме записи:
М д - М с
= J d w.
dt
(4)
Равенство (4) обычно относится к угловой скорости и углово- му ускорению электродвигателя. Однако это уравнение может быть отнесено к угловой скорости и угловому ускорению любого звена исполнительного механизма. При этом к соответствующим скоростям должны быть отнесены моменты М д, М с и приведённый момент инерции J.
3.2. Виды механических характеристик электрических двигателей и производственных механизмов
Вращающий (движущий) момент электродвигателя, разви- ваемый электромагнитными силами, определяется по формуле
M = 9550 Р =
д п
Р
1000 w,
где Р – мощность на валу электродвигателя, кВт; п – частота вра- щения вала двигателя, мин−1; w − угловая частота вала электро- двигателя, с-1.
Зависимость частоты n (угловой частоты w) вращения вала электродвигателя от момента M д на его валу называется механиче- ской характеристикой двигателя.
Механические характеристики различных типов электродви- гателей, применяемых для привода производственных механизмов нефтяной и газовой отраслей, представлены на рис. 33.
 |
Рис. 33. Механические характеристики электрических двигателей и электромагнитных муфт
Синхронные электрические двигатели, с помощью которых осуществляется работа лебёдок ряда типов буровых установок, компрессоров газокомпрессорных станций, насосов кустовых на- сосных станций, обладают абсолютно жёсткой механической харак- теристикой (см. рис. 33, поз. 1). Частота вращения вала ротора син- хронных электродвигателей не зависит от момента на валу. Следо- вательно, производственные механизмы с приводом от синхронных электрических двигателей обеспечивают постоянную производи- тельность в процессе работы.
Механические характеристики асинхронных электрических двигателей в пределах рабочего участка являются жёсткими (см. рис. 33, поз. 2). При изменении момента на валу от нуля до номи- нального значения частота вращения вала уменьшается на 2−6 %.
Поэтому производительность механизмов с приводом от асинхрон- ных электрических двигателей не будет постоянной, а будет не- сколько снижаться по мере роста величины момента на валу ротора. Данное обстоятельство следует рассматривать как недостаток асин- хронных двигателей, по сравнению с синхронными двигателями. Вместе с тем асинхронные электрические двигатели обладают, в сравнении с синхронными двигателями, рядом существенных преимуществ: меньшая стоимость, более простая конструкция, бо- лее высокая надёжность в работе. Отмеченные преимущества асин- хронных двигателей являются более значимыми, чем присущие им недостатки. Это способствует тому, что асинхронные двигатели яв- ляются основой электропривода установок насосной добычи нефти, установок подготовки нефти, перекачки нефти внутри промысла, вспомогательных механизмов буровых установок, насосов охлаж- дения на компрессорных станциях и т.д.
Жёсткость механической характеристики двигателей постоянно- го тока независимого и параллельного возбуждения несколько мень- ше, чем у асинхронных электродвигателей (см. рис. 33, поз. 3). По- этому, при одинаковой с асинхронными двигателями нагрузке на ва- лу, производительность работы механизмов с приводом от двигателей постоянного тока будет несколько меньше. К недостаткам двигателей постоянного тока, по сравнению с асинхронными двига- телями, следует отнести также большую сложность конструкции и более высокую их стоимость. Перечисленные выше недостатки яв- ляются главной причиной, из-за которой применение двигателей по- стоянного тока на технологических объектах нефтегазовой отрасли ограничено механизмами, требующими глубокого и плавного регу- лирования частоты вращения.
Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения имеют мягкую механическую характеристику (см. рис. 33, поз. 4). Характерным в работе этих двигателей является то, что по мере уве- личения момента на валу частота вращения якоря существенно уменьшается.
Электромагнитные муфты скольжения, широко применяемые на буровых установках для бесконтактного соединения и разъединения
вала электродвигателя и вала редуктора буровой лебёдки, также об- ладают мягкой механической характеристикой (см. рис. 33, поз. 5).
Под статическим моментом исполнительного механизма понимается момент на его входном валу, обусловленный силами полезных и вредных сопротивлений. Данный момент, пересчитан- ный на частоту вращения вала электрического двигателя, называ- ется приведённым статическим моментом (М с).
Статический момент производственных механизмов, препят- ствующий движению, называется реактивным моментом. Если статический момент производственных механизмов способствует движению, то такой момент называется потенциальным.
Характерным примером статического реактивного момента исполнительных механизмов является момент, обусловленный си- лами трения. Знак реактивного момента определяется направлени- ем движения исполнительного механизма: при изменении направ- ления движения знак реактивного момента изменяется (рис. 34).
 |
Рис. 34. Зависимость реактивного статического момента производственного механизма от частоты и направления вращения
Статические моменты от веса, растяжения, сжатия, скручива- ния упругих тел являются потенциальными моментами, так как
действие их связано с изменением потенциальной энергии отдель- ных элементов системы. Потенциальные моменты, в отличие от реактивных моментов, сохраняют направление своего действия при изменении направления движения. Так, статический момент, который создаётся колонной бурильных труб на валу барабана подъёмной лебёдки, сохраняет свой знак и при подъёме труб и при их опускании. На рис. 35 приведен график, который показывает зависимость потенциального статического момента на валу бара- бана подъёмной лебёдки от направления вращения барабана.
 |
Рис. 35. Зависимость потенциального статического момента производственного механизма от частоты и направления вращения
Механическая характеристика большого числа производст- венных механизмов математически описывается следующим вы- ражением [4]:
М = М +(М - М)(w/w) q,
с 0 н 0 н
где M c − момент сопротивления механизма при частоте вращения ω; M 0 − момент трения или холостого хода; М н − момент сопротивления при номинальной частоте вращения ωн; q − показатель степени.
Для различных групп производственных механизмов коэф- фициент q принимает одно из следующих значений: 0; 1; 2.
При q = 0 M c = М н, т.е. момент сопротивления остаётся посто- янным, а его величина равна значению момента при номинальной частоте вращения. Мощность производственных механизмов, для которых q = 0, возрастает линейно по мере увеличения частоты вращения.
В производственных механизмах, для которых q = 1, момент сопротивления возрастает линейно с ростом частоты вращения. Мощность производственных механизмов, относящихся к этой группе, пропорциональна квадрату частоты вращения.
Для вентиляторов, центробежных насосов, турбокомпрессо- ров q = 2. Следовательно, момент сопротивления данных механиз- мов зависит от квадрата частоты вращения, а мощность − от куба частоты вращения.
Механические характеристики рассмотренных групп меха- низмов в графической форме приведены на рис. 36.
 |
Рис. 36. Зависимости моментов сопротивления производственных механизмов от частоты вращения
Динамический момент
J d w, который входит в правую часть
dt
уравнения движения (4), в зависимости от величин и знаков мо- мента M д и момента М с, может быть положительным, отрицатель- ным или равным нулю.
Если динамический момент является положительной величи- ной, то звенья, входящие в систему электропривода, ускоряются и происходит их разгон.
При отрицательном знаке динамического момента звенья электропривода замедляются, т.е. происходит их торможение.
В случае, когда выполняется условие M д = М с, динамический момент равен нулю. Звенья электропривода при этом вращаются с постоянной частотой, т.е. в системе электропривода имеет место установившийся режим работы.
Наряду с системами, в которых звенья, образующие электро- привод, при работе совершают вращательное движение, приходится встречаться с системами, движущимися поступательно. Примером является электропривод, включающий в себя линейный вентильный двигатель и сочленённый с двигателем плунжерный насос [5].
Исследование движения системы электропривода с поступа- тельным движением входящих в него звеньев следует производить с использованием уравнения сил:
dv v 2 dm
F д - F c = m dt + 2 dL,
где F д
– движущая сила; F c
– сила статических сопротивлений;
m - приведённая масса; v - линейная скорость; L – путь, проходи- мый системой.
В частном случае, когда приведённая масса движущихся звеньев системы не зависит от пути, уравнение сил упрощается и приводится к виду
F - F = m dv.
д c dt
3.3. Приведение статических моментов и усилий производственных механизмов к валу
электрических двигателей
Рассмотрим метод приведения момента производственного
механизма M м
к валу электродвигателя для случая простейшей
системы, в которую входят электродвигатель, производственный механизм и одноступенчатая зубчатая передача (рис. 37).
 |
Рис. 37. Схема, поясняющая принцип приведения момента со- противления производственного механизма к валу электриче- ского двигателя: ЭД − электрический двигатель; ЗП − зубчатая
передача; ПМ − производственный механизм
Для данной системы электропривода, если пренебречь поте- рями в зубчатой передаче, справедливо выражение
M сwд= M мwм, (5)
где М с − статический момент механизма, приведённый к валу электродвигателя; M м − статический момент механизма на его ва-
лу;
wд, wм - угловая частота вращения вала электродвигателя
и вала производственного механизма.
Равенство (5) может быть преобразовано к следующему виду:
М с = М м / j,
где j - передаточное число зубчатой передачи,
j = wд / wм.
При наличии между электродвигателем и производственным механизмом нескольких передач с передаточными числами
j 1, j 2,..., jn
статический момент механизма, приведённый к валу
электродвигателя, рассчитывается по выражению
M c = M м / j 1 j 2... jn.
Если рабочий орган производственного механизма движется поступательно со скоростью v м под действием силы F м, то значе- ние приведённого к валу электродвигателя статического момента М с определяется из условия равенства мощностей этих указанных видов движения:
M сwд = F м v м.
Данное равенство путём преобразования приводится к виду
M = F
v м =60 F м v м.
с м w 2p n
д д
Приведение статического усилия F м механизма, рабочие ор- ганы которого движутся поступательно со скоростью v м, к линей- ной скорости электродвигателя v д, совершающего поступательное движение, осуществляется по формуле
F = F
v м.
|
д
3.4. Приведение моментов инерции звеньев в системе электропривода к одной оси
Момент инерции звена системы электропривода определяется выражением
J = m r2,
где m – масса звена; r - радиус инерции.
Формулы для расчёта радиусов инерции простейших геомет- рических тел приводятся в учебнике [6]. В частности, для сплош- ного цилиндра радиусом R радиус инерции
r= R / 2.
Для полого цилиндра с наружным радиусом R и внутренним радиусом r
r=.
В уравнение движения (4) входит приведённый момент инер- ции. При этом под приведённым моментом инерции рассматри- ваемой системы электропривода понимается момент инерции про- стейшей системы, состоящей только из элементов, вращающихся с частотой оси, к которой производится приведение и которая об- ладает запасом кинетической энергии, равным запасу кинетиче- ской энергии исходной системы.
На рис. 38 в качестве примера изображена одна из возможных схем электропривода, а на рис. 39 – её приведённая схема.
 |
Рис. 38. Приведение моментов инерции звеньев электропривода к валу электрического двигателя:
кинематическая схема исходной системы
В соответствии с определением приведённого момента инерции
J пр
w2
д = J
2 дв
w2
дв + J
2 1
w2
1 + J м
w2
м,
где
J пр
– момент инерции системы электропривода, приведённый
к валу двигателя; J дв, J 1, J м - моменты инерции двигателя, переда- чи и исполнительного механизма на соответствующих осях;
wдв, w1, wм - угловые частоты вращения двигателя, передачи и ис-
полнительного механизма.
 |
Рис. 39. Приведение моментов инерции звеньев электропривода к валу электрического двигателя:
система, приведённая к валу электродвигателя
Исходное уравнение путём несложных преобразований при- водится к виду
w2 w2 1 1
J пр = J дв + J 1 1 + J м м = J дв+ J 1 + J м,
w2 w2 j 2 j 2
где
дв дв 1 м
j 1, j м - передаточные числа между осью вала двигателя и ося-
ми передачи и механизма.
В ряде случаев при определении приведённого момента инер- ции используется выражение
J = d J + J 1.
|
м
В этом выражении момент инерции передачи
J 1 отсутствует,
а его влияние на величину приведённого момента инерции учиты- вается увеличением момента инерции двигателя посредством вве- дения коэффициента d. Значение коэффициента d обычно при- нимается 1,1−1,3.
В теории электропривода часто оперируют не моментами инер- ции J, а маховыми моментами GD 2. Переход от момента инерции к маховому моменту осуществляется с использованием формулы
GD 2 = 4 gJ,
где J - момент инерции звена системы электропривода; G - вес звена; D - диаметр инерции; g − ускорение силы тяжести.
Диаметр инерции D и геометрический диаметр звена систе-
мы электропривода D г
связаны между собой соотношением
D = D г / 2.
Глава 4. Переходные и установившиеся режимы работы электроприводов
4.1. Условия и время запуска в работу
В соответствии с уравнением движения (4) угловое ускорение электропривода производственного механизма
d w= M д - M с.
dt J
Для осуществления успешного запуска системы электропри- вода из неподвижного состояния необходимо, чтобы угловое ус- корение было величиной положительной.
Приведённый момент инерции системы электропривода J яв- ляется всегда величиной положительной. Поэтому положительно- му значению углового ускорения отвечает условие
M д - M с > 0.
Данное неравенство выполняется, если момент, развиваемый электродвигателем, по величине будет превышать момент сил со- противления, т.е. если выполняется условие
M д > M c.
Численные значения ускорения определяются разностью мо- мента электродвигателя и момента сил сопротивления, а также ве- личиной приведённого момента инерции системы электропривода. В системе электропривода с приведённым моментом инерции
J угловое ускорение возрастает с ростом величины разности мо- ментов M д − М с. Наоборот, уменьшение величины разности момен- тов M д − М с приводит к уменьшению ускорения звеньев системы электропривода.
Рост момента инерции звеньев, входящих в систему электро- привода, приводит к увеличению приведённого момента инерции J, что при заданной разности моментов M д − М с сопровождается уменьшением величины углового ускорения.
Время запуска системы электропривода из неподвижного со- стояния до номинальной частоты вращения ωн находится из реше- ния уравнения движения
wн
t = ò
Jd w.
|
Из данного математического выражения следует, что время запуска электропривода из неподвижного состояния до номиналь- ной частоты возрастает с увеличением приведённого момента инерции и номинальной частоты вращения. К увеличению време- ни запуска приводит также уменьшение разности момента элек- тродвигателя и момента сил сопротивления. Наоборот, увеличение разности моментов M д − M с и уменьшение приведённого момента инерции и номинальной частоты вращения способствуют более быстрому разгону системы электропривода.
4.2. Запуск в ход электроприводов с двигателями постоянного тока
Двигатели постоянного тока наиболее часто включаются по схеме, в которой обмотка якоря и обмотка возбуждения включаются параллельно (рис. 40). Преимущественное применение этой схемы
включения электродвигателя во многом объясняется тем, что для ра- боты электродвигателя в данном случае требуется только один ис- точник электрической энергии, в отличие от схемы включения двига- теля по схеме с независимым возбуждением, в которой используются два источника. Жёсткость же механических характеристик электро- двигателей параллельного и независимого возбуждения практически одинакова. Следовательно, при одинаковом моменте нагрузки на ва- лу электродвигателей их работа будет осуществляться с одинаковой частотой вращения и с одинаковой производительностью работы приводимых производственных механизмов.
 |
Рис. 40. Схема запуска в ход двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
Для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения справедливы следующие формулы, которые устанавливают коли- чественные связи между электрическими, магнитными и механи- ческими параметрами:
U = E + R я I я,
(6)
|
R я
(7)
Е = с еФв п я,
M д = с м I яФв,
(8)
(9)
где U − напряжение источника электрической энергии; E − электро- движущая сила, наводимая в обмотке якоря при работе двигателя; I я – ток в обмотке якоря; R я − сопротивление цепи якоря; Фв − маг- нитный поток в воздушном зазоре электродвигателя; п я – частота вращения якоря; M д – момент, развиваемый двигателем; с е, с м − кон- структивные постоянные.
Для запуска двигателя из неподвижного состояния необходимо создание вращающего момента M д. Для этого производится вклю- чение коммутационного аппарата К (на рис. 40 аппарат не показан), который своими главными контактами К 1 осуществляет подключе- ние обмотки якоря и обмотки возбуждения к напряжению источни- ка электрической энергии постоянного тока. В обмотке якоря и об- мотке возбуждения при этом возникают токи I я и I в. Ток возбужде- ния I в создаёт магнитный поток Фв, при взаимодействии которого с током якоря I я и создаётся вращающий (движущий) момент M д.
При выполнении условия M д > M c в системе электропривода возникает положительный динамический момент, действие кото- рого обусловливает ускорение всех звеньев электропривода, т.е. будет происходить процесс запуска электропривода.
Остановимся на рассмотрении проблем, с которыми прихо- дится сталкиваться при запуске в работу электроприводов с двига- телями постоянного тока.
Для изучения данного вопроса запишем формулы (6)–(9) для состояния электропривода, когда двигатель подключён к источни- ку электрической энергии, а его якорь, обладая инерционной мас- сой, остаётся неподвижным, т.е. частота его вращения п я = 0:
E = c eFв n я = 0,
|
R я R я
= I я.пуск,
M д = с м I яФв = с м I я.пуск Фв = M д.пуск.
В неподвижном якоре электродвижущая сила E, наводимая в его обмотке и противодействующая нарастанию тока, равна ну- лю. При этом ток в обмотке якоря достигает большой величины, которая определяется, как отношение напряжения в питающей се- ти к сопротивлению якорной цепи. Момент электродвигателя про- порционален току в обмотке якоря и в силу большой величины тока в обмотке якоря также достигает значительных величин.
Протекание по обмотке якоря больших пусковых токов обу- словливает возникновение сильного искрения на коллекторе, ко- торое при определённых обстоятельствах может перейти в круго- вой огонь. Следствием кругового огня является возможное оп- лавление пластин, из которых выполнен коллектор, и нарушение работы электродвигателя постоянного тока. Протекание пуско- вых токов по обмотке якоря сопровождается также потерями электрической энергии в сопротивлении якорной цепи, что ведёт не только к нагреву обмотки якоря, но и к снижению коэффици- ента полезного действия двигателя и системы электропривода в целом.
Большой пусковой момент двигателя обусловливает возникно- вение значительных угловых ускорений, особенно в электроприво- дах производственных механизмов с малым моментом сил сопро- тивления и небольшим моментом инерции. Следствием больших ускорений может явиться поломка механических узлов производст- венного механизма или промежуточной передачи, установленной между электродвигателем и приводимым механизмом.
Пуск электродвигателя постоянного тока по схеме, представ- ленной на рис. 40, т.е. прямым подключением электродвигателя к напряжению питающей сети, допускается только в электроприводах малой мощности от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт.
В электроприводах постоянного тока с двигателями средней и большой мощности принимаются меры по уменьшению пуско- вых токов.
Одним из способов уменьшения пусковых токов и ограниче- ния величины пускового момента является включение последо- вательно с обмоткой якоря дополнительного сопротивления R д. В этом случае в начальный момент пуска двигателя по обмотке якоря будет проходить ток, величина которого находится из вы- ражения
|
я д
Величина сопротивления R д рассчитывается так, чтобы пус- ковой ток в момент подключения электродвигателя к питающей сети составлял 2,0−2,5 I ном, где I ном − паспортное значение тока яко- ря. Ограничение тока в обмотке якоря меньшими значениями не- целесообразно, так как одновременно с током уменьшаются мо- мент электродвигателя и угловое ускорение, что приводит к затя- гиванию во времени процесса пуска.
В ряде случаев сопротивление R д конструктивно выполняется в виде двух или трёх последовательно включённых резисторов с меньшой величиной сопротивлений. В процессе пуска, когда частота вращения якоря двигателя и электродвижущая сила в об- мотке якоря возрастают, а ток в якоре уменьшается, эти сопротив- ления поочерёдно выводятся из работы. Такое техническое реше- ние позволяет уменьшить пределы изменения тока в обмотке яко- ря и момента на валу двигателя в процессе пуска, что приводит к увеличению плавности процесса пуска и сокращению его време- ни. Управление отдельными резисторами в процессе пуска осуще- ствляется вручную или автоматически.
Уменьшение тока в обмотке якоря и момента двигателя в процессе его запуска из неподвижного состояния возможно так- же посредством уменьшения напряжения, подводимого к двигате- лю. С этой целью между питающей сетью и якорем двигателя по- стоянного тока включается управляемый полупроводниковый вы- прямитель УПВ (рис. 41).
В начальный момент запуска, когда частота вращения якоря дви- гателя и электродвижущая сила в обмотке якоря равны нулю, на- пряжение на выходе выпрямителя устанавливается минимальным по величине с тем, чтобы ток в обмот- ке якоря не превышал 2,0−2,5 I ном. В процессе пуска двигателя часто- та вращения якоря и электродви- жущая сила в его обмотке возрас- тают, а ток в обмотке якоря уменьшается. Для поддержания тока якоря на указанном уровне и сокращения времени разгона электродвигателя напряжение на якоре электродвигателя с помощью выпрямителя плавно увеличивает- ся. По окончании процесса пуска напряжения на якоре двигателя устанавливается равным его номи- нальному значению.
Для сохранения тока в обмотке возбуждения и магнитного потока в двигателе на уровне своих номи- нальных значений двигатель в этом случае включается по схеме незави- симого возбуждения (см. рис. 41).
 |
Рис. 41. Электрическая схема, обеспечивающая ограничение пускового тока двигателя по- стоянного тока независимого
возбуждения
4.3. Запуск в ход электроприводов с асинхронными электрическими двигателями
Для осуществления процесса пуска асинхронного электродви- гателя обмотки фаз статора посредством рубильника S и рабочих контактов К 1 коммутационного аппарата, например, магнитного
пускателя, вакуумного контактора, подключаются к питающей се- ти трёхфазного переменного напряжения (рис. 42). В обмотках фаз статора под действием напряжения возникают переменные сину- соидальные токи, сдвинутые по фазе во времени на 120°. Обмотки фаз статора укладываются в пазы стального сердечника статора по определённой схеме, которая обеспечивает сдвиг осей обмоток фаз в пространстве на 120°. Временной сдвиг по фазе токов в обмот- ках, а также пространственный сдвиг осей обмоток обеспечивают создание в воздушном зазоре между статором и ротором вращаю- щегося магнитного поля. Это поле при своём вращении пересекает проводники обмотки, размещённой на роторе, и в соответствии
с законом электромагнитной ин- дукции наводит в обмотке ротора электродвижущую силу. Под действием электродвижущей си- лы в проводниках обмотки рото- ра возникает электрический ток, который при взаимодействии с вращающимся магнитным полем статора обусловливает создание электромагнитных усилий, дей- ствующих на проводники обмот- ки ротора. Действие электромаг- нитных сил проводников обмот- ки ротора приводит к созданию на валу двигателя вращающегося момента. Если вращающий мо-
Рис. 42. Электрическая схема запуска в работу асинхронного двигателя с беличьей клеткой
ротора
мент по величине превосходит момент, обусловленный силами сопротивления звеньев системы электропривода, будет осуществ- ляться процесс пуска.
Процесс пуска асинхронных электрических двигателей, как и двигателей постоянного тока, связан с рядом проблем.
Для рассмотрения и пояснения сути этих проблем запишем математические выражения, которыми устанавливаются количест- венные соотношения между электрическими, магнитными и меха- ническими параметрами асинхронных двигателей:
n =60 f 1,
1 p
n =60 f 1 (1 - s),
s = n 1 - n 2,
n 1
f 2 = f 1 s,
E 2 = E 2к s,
I 2 =
E 2к s,
|
I 1 = I 10 + I 2¢, M = c мФ I 2 cos j2.
В данные формулы входят следующие величины: n 1, n 2 – час- тота вращения магнитного поля статора и частота вращения рото- ра; f 1, f 2 – частота тока статора и ротора; s – скольжение; E 2к, Е 2 – электродвижущая сила в обмотке фазы неподвижного и вращаю-
щегося ротора;
I 1, I 2 - ток фазы статора и фазы вращающегося ро-
тора; I 10 – ток в фазе статора при работе двигателя без нагрузки на валу; M − электромагнитный момент двигателя; Ф − магнитный поток; cos φ2 – угол сдвига фаз между электродвижущей силой и током фазы ротора; c м – конструктивная постоянная.
В момент подключения асинхронного двигателя к источнику питания, когда ротор в силу его инерционности остаётся непод- вижным,
n 2 = 0,
s = 1,
f 2 = f 1,
E 2 = E 2к,