Анормальные режимы работы асинхронных машин

Поминальные данные электрических машин, указанные на щитке и паспорте машины, — мощность, напряжение, частота сети, ток, частота вращения, cos (р, КПД и другие, характеризующие машину, относятся к работе машины на высоте до 1000 м над уровнем моря и при температуре газообразной охлаждающей среды до 40° С и охлаждающей воды до 30 °C. Нижний предел температуры охлаждающей среды указывается в стандартных или технических условиях на отдельные виды машин. Нижний предел температуры определяется в основном условиями работы смазки подшипников. Асинхронные двигатели серии 4 А предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до +40°С. Относительная влажность воздуха до 98% при температуре 25 °C.

При работе машины в условиях, отличающихся от указанных выше, номинальные данные изменяются. При температуре воздуха свыше 40 °C предельные допустимые превышения температуры уменьшаются для всех классов изоляционных материалов. При использовании асинхронных двигателей при температуре выше 40 °C должна быть снижена номинальная мощность двигателя. Если машина используется на высоте, большей 1000 м над уровнем моря, ухудшаются условия охлаждения, так как при уменьшении плотности воздуха уменьшается масса воздуха, участвующего в охлаждении машины. При этом также снижается номинальная мощность.

Номинальные данные асинхронных двигателей соответствуют номинальному напряжению и частоте сети. Допускается работа двигателей при отклонении напряжения сети в пределах от -5 до +10% и частоты переменного тока на ±2,5% номинального значения. При одновременном отклонении напряжения и частоты сети от номинальных значений двигатели должны сохранять номинальную мощность, если сумма абсолютных процентных значений этих отклонений не превосходит 10% и каждое из отклонений не превышает нормы.

При отклонении напряжения или частоты сети от номинальных значений происходит изменение магнитного потока двигателя, которое можно определить из формулы.

Изменение потока двигателя приводит к изменению момента:

Если момент на валу остается неизменным, то при уменьшении Ф_т растет ток в статоре и роторе машины. Изменение потока приводит также к изменению тока холостого хода. Так как при номинальных значениях напряжения и частоты сети магнитная система асинхронных двигателей насыщена, небольшие изменения напряжения и частоты приводят к заметным изменениям тока холостого хода.

Влияние Uwf на характеристики можно оценить по формулам (3.120) и (3.121). Как увеличение, так и уменьшение U и /j по отношению к номинальным значениям отрицательно сказывается на характеристиках машины.

Коэффициент полезного действия и cos (p асинхронных двигателей имеют максимум при 0,6—0,8 номинальной мощности. Если двигатель эксплуатируется с недогрузкой при 0,2—0,4 номинальной мощности, целесообразно понизить напряжение. При этом уменьшается намагничивающий ток и увеличивается cos ср. Улучшение cos (р приводит к увеличению КПД. Иногда целесообразно переключить обмотки двигателя с треугольника на звезду. Такое переключение приводит к уменьшению фазного напряжения в V3 раз, что вызывает уменьшение потока также в V3 раз.

Чтобы момент на валу двигателя остался прежним, надо ток увеличить в V3 раз. Относительное увеличение переменных потерь (потерь в меди) и уменьшение постоянных потерь (потерь в стали) смещает максимум КПД для недогруженного двигателя в область нагрузок, при которых длительно эксплуатируется двигатель.

Переключение обмоток не всегда возможно и целесообразно. Поэтому использование двигателей завышенной мощности приводит к неоправданным потерям электроэнергии. Электрические машины должны эксплуатироваться при нагрузках, близких к указанным в паспорте машины.

При эксплуатации асинхронных машин может оказаться, что система трехфазных напряжений, приложенных к статору машины, несимметрична, г. е. фазные напряжения отличаются друг от друга, а углы между напряжениями не равны 120°. Искажение симметрии напряжений связано с различными нагрузками в фазах и аварийными ситуациями.

Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить на симметричные системы напряжений прямой и обратной последовательности и систему нулевой последовательности. Токи нулевой последовательности при соединении в звезду не создают вращающегося поля в воздушном зазоре. При соединении в треугольник пульсирующее поле от токов нулевой последовательности в первом приближении может не учитываться из-за небольшой амплитуды и отличающейся в 3 раза от прямой и обратной гармоник МДС синхронной частотой вращения.

Напряжения прямой последовательности U создают токи прямой последовательности статора /₍₁. Эти токи создают в воздушном зазоре поле прямой последовательности. Напряжения обратной последовательности t/₎₂ создают токи 7(2 и поле обратной последовательности.

Для анализа процессов преобразования энергии в машине при наличии двух полей справедливы модели рис. 3.80, а и б. Рассматривая действие прямой и обратной последовательностей отдельно (схема рис. 3.80, а), можно считать, что результирующий момент.

-> ^Г2

где М = — — момент прямой последовательности;

" Г 2.

М₂ = ?"₂(/₂₂)^— — момент обратной последовательности.

Ротор по отношению к полю прямой последовательности имеет скольжение.

Рис. 3.80. Модель для определения момента без учета (а) и с учетом (б) пульсирующих моментов.

Скольжение ротора по отношению к полю обратной последовательности

Подставляя в формулу (3.124) частоту вращения ротора, выраженную через скольжение прямой последовательности, из формулы (3.123)

получаем В выражение моментов прямой и обратной последовательностей входят токи ротора прямой /_и и обратной /₂₂ последовательностей.

Для системы напряжений и токов обратной последовательности справедлива схема замещения, аналогичная схеме замещения прямой последовательности (рис. 3.81). В этой схеме /₁₂ и /₂₂ — токи обратной последовательности в статоре и роторе. Без учета вытеснения тока для прямой и обратной последовательностей параметры схемы замещения приняты одинаковыми.

Результирующий электромагнитный момент М_эм от токов прямой М и обратной М₂ последовательностей показан на рис. 3.82. Момент от обратной последовательности направлен в сторону, противоположную моменту прямой последовательности. Обычно искажение симметрии небольшое, и момент обратной последовательности меньше момента прямой последовательности. Максимум момента обратной последовательности находится вблизи скольжения s = 2.

Рис. 3.81. Схема замещения для обратной последовательности.

Рис. 3.82. Момент асинхронного двигателя при нссимметрии напряжений.

Искажение симметрии питающих напряжений изменяет кривую момента двигателя М = f (s). При этом уменьшается максимальный и пусковой моменты, что отрицательно сказывается на характеристиках машины, так как номинальный момент имеет место при больших скольжениях, а следовательно, при больших токах.

В переходных процессах следует определять момент по схеме рис. 3.80, 6 и учитывать произведения токов разных последовательностей г₁₂, г₂₂ и г₂₁, б |, и тогда в результирующем моменте будут четыре составляющие.

При исследовании переходных процессов следует моделировать систему уравнений из восьми уравнений напряжений и уравнению момента (3.127).

При изготовлении машины или эксплуатации может возникнуть несимметрия сопротивлений фаз ротора. В двигателях с короткозамкнутым ротором это связано с заливкой ротора, когда алюминий неравномерно заполняет пазы, а в машинах с фазным ротором — с неисправностью щеточного узла. Вследствие различия сопротивлений фаз ротора токи в фазах ротора отличаются друг от друга. Несимметричную систему токов ротора можно разложить на две симметричные системы токов ротора прямой и обратной последовательностей. Токи ротора прямой последовательности создают поле, неподвижное относительно поля прямой последовательности статора. В результате взаимодействия токов статора и токов прямой последовательности ротора создаются результирующее поле и момент М.

Токи обратной последовательности ротора создают поле, вращающееся с частотой п_2р = sti относительно ротора в направлении, обратном вращению ротора. Час то та вращения поля ротора обратной последовательности относительно статора.

Это поле наводит в статоре токи /₁₂ с частотой.

Токи /₁₂ замыкаются через сеть и создают в зазоре машины поле, неподвижное относительно токов обратной последовательности ротора. Результирующий момент равен сумме моментов от токов прямой и обратной последовательностей статора и ротора М_ям = ММ₂.

Так как поле обратной последовательности вращается в сторону, противоположную вращению ротора, частота близка к частоте сети и при номинальном скольжении равна 48—49 Гц. Наложение двух близких частот вызывает биения — низкочастотные качания токов статора и характерный шум двигателя.

Рис. 3.83. Момент при обрыве фазы обмотки ротора.

При скольжении s = 0,5 обратное поле от токов ротора неподвижно относительно статора (3.128). В этом случае в обмотках статора не наводятся токи от обратного поля ротора и М₂ = 0. В кривой момента при s = 0,5 появляется «провал» (рис. 3.83), ротор может «застрять» в этом положении; чтобы вывести ротор из этого положения, необходимо затратить энергию. Это явление было описано Г. Гергёсом в 1896 г. и называется эффектом Гергёса, или эффектом одноосного включения, который максимально проявляется при обрыве одной фазы ротора. В таком случае асинхронный двигатель, как правило, не достигает номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки.

Проводя исследование несимметричных режимов асинхронных двигателей, различают работу симметричного двигателя при несимметричном напряжении питания и работу несимметричного двигателя при симметричном напряжении питания (обычно двигатель несимметричен по статору или ротору). Хотя несимметричные режимы отличаются друг от друга, математические описания процессов преобразования энергии в обоих случаях близки друг к другу. Наиболее общим и более сложным является исследование несимметричного асинхронного двигателя при несимметричном напряжении питания [71.