Влияние изменений частоты вращения электродвигателя на электромагнитные процессы в нем

В современных промышленных, транспортных и других установках непрерывно возрастают степень электрификации, единичные и общая мощности. Сильно возросли требования к быстродействию электроприводов промышленных установок, особенно в связи с комплексной автоматизацией, широким внедрением электронно-вычислительных машин, а также автоматических систем управления. Поэтому переходные электромагнитные процессы в машинах при одновременном изменении их частоты вращения занимают важное место и в ряде практических случаев приобретают первостепенное значение.

Обычно при расчете режимов работы электропривода механизмов и установок пренебрегают влиянием скорости изменения скольжения на механические характеристики асинхронного двигателя. При этом в энергетическом балансе машины не учитывается мощность, затрачиваемая на изменение магнитной энергии в ней. Полагают, что каждому скольжению машины соответствует вполне определенное значение электромагнитного момента независимо от скорости изменения скольжения. В действительности же статическая механическая характеристика верна только в установившемся режиме и даже при относительно небольших ускорениях асинхронных двигателей отклонение действительного момента от значения его в статическом режиме оказывается значительным.

При заклинивании механизма торможение асинхронного двигателя происходит за очень малый промежуток времени. При этом действительный максимальный момент с учетом влияния скорости изменения скольжения может превысить максимальный момент по статической характеристике почти в два раза, что должно учитываться при расчете прочности как самого двигателя, так и спаренного с ним механизма. Особенно важен учет влияния скорости изменения скольжения на механическую характеристику двигателя при повторно-кратковременных и быстро протекающих процессах. В связи с общей современной тенденцией ускорения работы механизмов указанные процессы встречаются все более часто.

Исследование режимов машин при переменной частоте вращения связано с известными трудностями, так как задача в общем случае сводится к решению нелинейных дифференциальных уравнений. Если частота вращения является заданной функцией времени, а параметры принимаются постоянными, то процесс описывается линейными уравнениями с переменными коэффициентами. Аналитическое исследование нелинейных уравнений целесообразно проводить на вычислительных машинах. Поэтому мы здесь остановимся лишь на решении задачи в линейном плане, т. е. будем предполагать, что изменение частоты вращения машины во времени задано. В такой постановке вопроса проще, например, установить отклонение кривой электромагнитного момента в переходном режиме от кривой момента в статическом режиме.

Асинхронные электродвигатели обладают малой продолжительностью переходных электромагнитных процессов,, исчисляемая обычно сотыми долями секунды. В то же время продолжительность всего динамического режима (пуск, реверс) нормального асинхронного двигателя измеряется десятыми долями секунды и даже секундами. Поэтому часто принимается, что переходный электромагнитный процесс происходит при какой-то постоянной частоте вращения, т. е. предполагается, что за время протекания электромагнитных процессов частота вращения двигателя не успеет измениться. Однако указанное допущение нельзя принимать в том случае, когда продолжительность электромагнитных процессов будет соизмерима с продолжительностью динамического процесса электропривода. Последнее имеет место, если постоянная времени ротора асинхронного двигателя при замкнутом статоре будет соизмерима с электромеханической постоянной времени электропривода, т. е. в том случае, когда механическая характеристика двигателя очень жесткая, а маховой момент электропривода относительно небольшой. Наибольшее влияние изменения частоты вращения будет при малых скольжениях, когда изменение общего электрического сопротивления двигателя и, следовательно, тока будет резким. В этом случае переходная механическая характеристика электродвигателя будет сильно отличаться от статической. Следует иметь в виду, что изменение частоты вращения асинхронного двигателя сказывается существенно и на механической характеристике нормальных двигателей, но при малых скольжениях. Широкое внедрение электронно-вычислительных машин существенно меняет методику исследования сложных процессов в электрических машинах с помощью математических соотношений. Электронно-вычислительные машины позволяют рассчитать режимы описываемые сложными дифференциальными уравнениями, которые до появления этих машин принято было считать трудноразрешимыми или же вовсе неразрешимыми. В частности, исследования переходных процессов в машинах переменного тока, вращающихся с переменной частотой вращения, с помощью уравнений Парка-Горева относятся именно к подобной категории задач. Электронно-вычислительные машины позволяют исследовать сложный процесс с учетом влияния многих факторов, однако пока только для вполне конкретного случая в числовой или графической форме. Здесь мы имеем, по существу, те же недостатки, что и при графоаналитическом решении задачи или же при численном интегрировании дифференциальных уравнений.

Определить физическую сущность явлений подобным путем часто оказывается весьма затруднительным, а иногда и просто невозможным. Отсюда следует необходимость найти такие допущения и такую методику, которые мало бы уменьшали точность и резко упрощали бы формулы. В этом случае могут быть легко выявлены сущность физических явлений и главные факторы, определяющие процесс. Следует также учитывать, что простые формулы легко прививаются в инженерной практике и находят широкое распространение.