Аварийные режимы асинхронных
электродвигателей
и способы их защиты

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И НЕКОТОРЫЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для того чтобы уяснить процессы, происходящие в двигателе при аварийных режимах, необходимо рассмотреть принцип преобразования электрической энергии в механическую в нормальных условиях, а затем проанализировать его работу при нарушении этих условий. Не будем повторять все, что написано в соответствующих учебных пособиях, а сосредоточим внимание на тех положениях, которые необходимы для понимания изложенного ниже материала.

Электрический двигатель является источником механической энергии, используемой для приведения в действие рабочих органов производственного механизма. Важнейшими его параметрами являются вращающий момент на валу и скорость вращения ротора. Произведение этих двух величин дает мощность, которая передается рабочей машине.

От других электрических машин асинхронный короткозамкнутый двигатель отличается простотой конструкции, отсутствием подвижных контактов. В процессе преобразования электрической энергии в механическую участвуют две основные части машины: статор и ротор. Статор служит для получения вращающегося магнитного поля, а ротор — для создания вращающего момента в результате взаимодействия индуктированного в нем тока с вращающимся магнитным полем.

На рисунке 1 показана схема, поясняющая принцип действия двухполюсного асинхронного двигателя. Обмотка статора имеет три фазы, сдвинутые в пространстве на 120°. В обмотках протекает трехфазный ток. Рассмотрим, каким образом неподвижные обмотки создают вращающий момент.

Рис. 1. Схема, поясняющая образование вращающегося магнитного поля.

Допустим, что в какой-то момент времени ток в фазе А имеет максимальное значение положительного направления. Наименование направления взято условно. Будем считать положительным ток, протекающий от внутренних витков к внешним. В это время токи в фазах В и С имеют отрицательное направление, а по величине они равны половине максимального значения. Все три обмотки образуют общее магнитное поле, силовые линии которого показаны пунктирными линиями со стрелками. Величину и положение этого поля можно представить условно в виде вектора Ф.

Через 1/3 периода изменения переменный ток принимает максимальное положительное значение в обмотке В, а в обмотках А и С отрицательное значение, равное половине максимального (рис. 1, б). Суммарное магнитное поле оказывается повернутым относительно первого момента времени на 120°. Положение поля условно показано вектором Ф (рис. 1, б).

Через 2/3 периода ток принимает максимальное положительное значение в обмотке С, а в обмотках А и В — половинное отрицательное значение. Суммарное магнитное поле поворачивается еще на 120° (рис. 1, в). Затем процесс повторяется.

Таким образом, неподвижные обмотки, обтекаемые трехфазным током, создают вращающееся магнитное поле. За один период изменения тока поле совершает один оборот. Если машина имеет две пары полюсов, то вращающееся поле за один период изменения тока повернется только на пол-оборота. Частота вращения поля п0, об/мин

где f — частота тока, Гц; р — число  пар полюсов машины.

Рис. 2. Условные обозначения кругового и эллиптического вращающегося   магнитного поля

В реальных машинах витки обмотки уложены равномерно по окружности статора. Магнитные силовые линии поля также распределяются равномерно по воздушному зазору между статором и ротором. Вращающееся поле, не изменяющееся по величине, называют круговым   (рис. 2, а).

Если по какой-нибудь причине симметрия токов в обмотках нарушается и хотя бы один из токов трехфазной системы будет отличаться либо по величине, либо по фазе, поле будет вращаться с той же самой скоростью, однако его величина будет изменяться в зависимости от положения в пространстве. Такое поле не будет круговым, его можно представит, в виде эллипса (рис. 2, б).

Под действием вращающегося поля в обмотках ротора индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), которая создает ток в обмотке ротора. В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком появляется механическое усилие, направленное по касательной к окружности ротора и создающее вращающий момент на валу. Замечательно то, что между статором и ротором нет механической связи в обычном ее понимании. Она осуществляется посредством магнитных силовых линий, которые играют роль гибкой связи. Ротор увлекается вслед за вращающимся полем. При запуске без нагрузки ротор быстро набирает скорость и догоняет магнитное поле. Скорость, с которой проводник с током (обмотка ротора) пересекает магнитные силовые линии вращающегося поля, уменьшается. Это приводит к снижению ЭДС и тока ротора и к уменьшению вращающего момента. Вращение, при котором скорости поля и ротора будут равными, называется синхронным. Магнитное поле и ротор, вращаясь с одинаковой скоростью, остаются неподвижными относительно друг друга. При отсутствии относительного перемещения ЭДС в роторе равна нулю, следовательно равен нулю и вращающий момент на валу. Таким образом, при синхронной скорости момент двигателя отсутствует.

При отставании ротора появляются пересечение магнитных силовых линий, ЭДС и ток в обмотке, а на валу двигателя — вращающий момент. Разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением и измеряется в процентах относительно синхронной скорости или в относительных величинах:

где ω0 — скорость вращения магнитного поля (синхронная скорость); ω — скорость вращения ротора. При неподвижном роторе скольжение равно 100%.

Несмотря на отсутствие механической или электрической связи между неподвижным статором и вращающимся ротором, изменение нагрузки на валу двигателя вызывает соответствующие изменения тока статора. Передача энергии осуществляется следующим образом. При увеличении момента сопротивления со стороны рабочей машины снижается скорость вращения ротора и возрастает скольжение. Магнитные силовые линии вращающегося поля с большей скоростью пересекают обмотку ротора, что приводит к возрастанию ЭДС и тока в роторе. Созданный таким образом ток образует свое магнитное поле, которое направлено противоположно полю статора. Размагничивающее действие этого потока компенсируется возрастанием тока статора. Таким образом, возрастание скольжения ротора приводит к росту тока статора и увеличению энергии, передаваемой ротору через воздушный зазор двигателя.

Рис. 3. Механическая характеристика   асинхронного двигателя

Свойство двигателя реагировать на изменение скольжения отражается в его механической характеристике, представляющей собой зависимость вращающего момента от скорости вращения (рис. 3). На этой характеристике можно выделить несколько точек, представляющих основные параметры двигателя. Номинальной скорости вращения ωн, соответствует номинальный момент Мн. Значение момента при неподвижном   роторе   Мп называется пусковым моментом. Синхронная скорость обозначена ω0. Снижение скорости приводит к увеличению момента. Однако после достижения наибольшей величины Мmax вращающий момент падает. Отношение наибольшего момента к номинальному характеризует перегрузочную способность двигателя. Для короткозамкнутых асинхронных двигателей она находится в пределах
2 — 2,5. Это означает, что кратковременные перегрузки, в 2 — 2,5 раза превышающие номинальный момент, могут преодолеваться без остановки машины. Рабочая ветвь механической характеристики (правая ее часть, начиная от точки наибольшего момента) круто опускается вниз. Говорят, что такая характеристика жесткая. Под этим понимают свойство двигателя сохранять скорость вращения практически неизменной при колебаниях момента сопротивления. Жесткая характеристика удовлетворяет требованиям большинства сельскохозяйственных машин. Но в отдельных случаях (например, при регулировании скорости) требуется мягкая (с большим наклоном к оси абсцисс) характеристика. Тогда применяют специальные двигатели повышенного скольжения, у которых рабочая ветвь механической характеристики более пологая. В обозначении типа двигателя добавляют букву С (например, АОС).

В условиях сельского хозяйства возникают затруднения с пуском сравнительно мощного двигателя из-за снижения напряжения при протекании пусковых токов. При этом снижается пусковой момент двигателя, а рабочая машина может остаться в заторможенном состоянии. Для машин с тяжелыми условиями пуска используют двигатели с повышенным пусковым моментом. В обозначении типа двигателя добавляют букву П (например, АОП).

Применение той или иной модификации единой серии асинхронных двигателей зависит главным образом от требований и характеристик рабочей машины.

На срок службы двигателя большое влияние оказывает режим его работы. В соответствии с ГОСТ 183—66 различают три основных режима работы двигателя: длительный, повторно-кратковременный и кратковременный.

Под длительным режимом работы понимают такой, при котором двигатель включается в работу на достаточно большой период времени, в течение которого он нагревается до установившегося теплового состояния, а температура его обмоток практически не изменяется (рис. 4, а). Большинство сельскохозяйственных машин работает в этом режиме.

Рис. 4.   Графики режимов работы асинхронного двигателя: а — длительного с постоянной нагрузкой; б — кратковременного; в —повторно-кратковременного:  1 — нагрузка; 2—температура   обмоток.

В свою очередь, машины с длительным режимом можно разделить на машины с постоянной и переменной нагрузкой. Небольшие колебания нагрузки в расчет не принимают.

К повторно-кратковременному режиму относят режим, при котором периоды работы чередуются с отклонением и остановкой двигателя. За время работы двигатель не успевает нагреться до установившегося теплового состояния, а за время паузы — остыть до температуры окружающей среды (рис. 4, в).

Такой режим работы имеет электропривод безбашенной водокачки при расходе воды, близком к половине производительности насоса.

При кратковременном режиме работы двигатель за время включения не успевает нагреться до установившегося состояния, а за время паузы обмотка успевает охладиться до температуры окружающей среды (рис. 4, б). За счет кратковременности включения можно допустить некоторую перегрузку двигателя, имея в виду, что за время работы температура обмоток не успеет достичь допустимого значения.

Такой режим работы имеют транспортеры для уборки навоза. Их включают на 15 — 20 мин, и за это время двигатель не достигает установившегося теплового состояния.

Электротехническая промышленность выпускает специальные двигатели, предназначенные для работы в одном из трех режимов. Однако в сельском хозяйстве преимущественно используют двигатели, предназначенные для длительного режима. Они вполне могут работать и в повторно-кратковременном и в кратковременном режимах, если при их выборе проведен соответствующий расчет.

Короткозамкнутый асинхронный двигатель — основной тип двигателей, используемых в сельском хозяйстве. Синхронные двигатели, а также асинхронные с фазовым ротором применяют только для привода крупных насосных установок. Однофазные асинхронные двигатели применяют в бытовых электроприборах и вентиляторах мощностью не более 1 кВт.

Для привода механизмов, не предъявляющих специальных требований к пусковым характеристикам, скольжению и к условиям окружающей среды, предназначены асинхронные двигатели серии А2 и АО2. В настоящее время их заменяют серией 4А, имеющей сельскохозяйственную модификацию. От основного исполнения сельскохозяйственные электродвигатели отличаются изоляцией, рассчитанной на работу в среде с повышенной влажностью и концентрацией химически активных газов животноводческих помещений.

Кроме того, имеется несколько электрических модификаций: с повышенным пусковым моментом; с повышенным скольжением; многоскоростные на 2, 3 и 4 скорости вращения. Электродвигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов, имеющих в период пуска сравнительно большие нагрузки или большой момент инерции. Электродвигатели с повышенным скольжением предназначены для привода механизмов, имеющих большие маховые массы и неравномерную ударную нагрузку, большую частоту пусков и реверсов. Многоскоростные двигатели предназначены для привода механизмов со ступенчатым регулированием скорости вращения, например вентиляторов, требующих изменения    производительности.

Электродвигатели сельскохозяйственной модификации допускают длительную работу при снижении напряжения до 90 и 80% от номинального с небольшим уменьшением мощности.

Для привода механизмов небольшой мощности (до 4 кВт) применяют также двигатели серии Д, имеющей также сельскохозяйственную модификацию и специальную модификацию для птицеводческих ферм.

Кроме электродвигателей единой серии, в сельском хозяйстве применяют трехфазные асинхронные двигатели специального назначения, например для привода погружных насосов, электростригальных машинок. Погружные электронасосы конструктивно объединены с электродвигателем, их применяют в трубчатых и шахтных колодцах. Обмотка статора охлаждается водой, находящейся во внутренней полости двигателя.

Для стрижки овец выпускают машинки с электродвигателем мощностью 120 Вт (частота 50, 200 и 400 Гц). Применение тока 200 и 400 Гц позволяет отказаться от гибкого вала, соединяющего вал электродвигателя со стригальным аппаратом, и встроить электродвигатель в рукоятку стригальной машинки.