Переходные процессы в асинхронных двигателях

Переходные процессы в асинхронных двигателях представляют собой совокупность электромагнитных переходных процессов, происходящих в обмотках двигателя, и механических переходных процессов, обусловленных изменениями скорости вращения машин (двигателя и производственного механизма). Скорость затухания электромагнитных переходных процессов зависит от параметров обмоток, а механических - от момента инерции вращающихся масс и величины нагрузки. При этом может быть два случая:

1) Электромагнитные переходные процессы затухают значительно быстрее по сравнению с изменением скорости вращения ротора;

2) Постоянные времени затухания электромагнитных и механических переходных процессов соизмеримы.

В первом случае влиянием электромагнитных переходных процессов можно пренебречь и рассматривать механические переходные процессы на основе уравнения движения ротора.

Во втором случае необходимо рассматривать электромагнитные и механические, т.е. электромеханические переходные процессы, т.к. пренебрежение электромагнитными переходными процессами часто приводит к неправильной оценке моментов, действующих в системе электропривода, и, следовательно, к существенным ошибкам.

Объясняется это тем, что при таком допущении не учитывается влияние свободных составляющих токов, возникающих в обмотках электрической машины во всяком переходном процессе. В результате влияния свободных токов электромагнитный момент вращения асинхронного двигателя в течение переходного процесса может быть как больше, так и меньше момента, определяемого статической механической характеристикой.

Во время переходного процесса скорость вращения ротора не остается постоянной. Быстрое изменение скорости вращения сказывается на величине токов в обмотках и оказывает влияние на величину момента вращения.

Чтобы более глубоко и точно произвести анализ переходных процессов в асинхронном двигателе, необходимо учитывать не только изменение энергии магнитных полей, но и изменение кинетической энергии маховых масс привода, т.е. необходимо рассматривать электромеханические переходные процессы.

Во время пуска двигателя свободные составляющие токов обуславливают колебательный характер изменения электромагнитного момента двигателя во времени со значительными амплитудами на начальном участке переходного процесса. Следовательно, зависимость электромагнитного момента от скорости вращения ротора или от времени определения в динамике отличается от аналогичной зависимости, построенной в статике.

На рис. 5 приведены динамическая (кривая 1) и статическая (кривая 2) механические характеристики асинхронного двигателя при пуске вхолостую. Под динамической механической характеристикой понимается механическая характеристика двигателя, определенная с учетом электромагнитных переходных процессов.

Статическая механическая характеристика - это характеристика, построенная без учета электромагнитных переходных процессов. На рис. 5 видно, что динамическая механическая характеристика асинхронного двигателя при пуске значительно отличается от статической.

На основании многочисленных экспериментальных исследований [3, 6] установлено, что электромагнитные переходные процессы, возникающие при пуске двигателя, затухают до скорости, соответствующей критическому скольжения на статической механической характеристике.

Отличие динамической механической характеристики от статической можно объяснить следующим образом. В связи с изменением скорости вращения ротора токи в двигателе меняются. Если увеличение скорости велико, то вследствие влияния индуктивностей обмоток машины изменение токов отстает от изменения скорости. Очевидно, чем больше постоянные времени обмоток и чем меньше момент инерции вращающихся масс, тем в большей степени это проявляется. В связи с этим при достижении синхронной скорости токи в обмотке ротора еще не будут равны нулю. Следовательно, не равен нулю и электромагнитный момент вращения и двигатель разгоняется до скорости, превышающей синхронную. При увеличении скорости выше синхронной токи в обмотке ротора уменьшаются. Уменьшается, а затем становится отрицательным момент, развиваемый двигателем, скорость вращения уменьшается. Таким образом, в конце переходного процесса скорость и момент вращения двигателя совершают затухающие колебания.

Следует отметить, что динамическая механическая характеристика определяется не только параметрами обмоток двигателя, но и параметрами нагрузки (момент инерции вращающихся масс, величина нагрузки), а такие характером переходного процесса. Изменение момента инерции или момента сопротивления влечет за собой изменение динамической характеристики. Следовательно, каждый конкретный асинхронный двигатель при данных параметрах обмоток обладает одной статической и бесконечным числом динамических механических характеристик.

В настоящее время решение дифференциальных уравнений, описывающих электромеханические переходные процессы электрических машин, производится на аналоговых и цифровых электронных вычислительных машинах.

Наиболее просто уравнения решаются на аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Обработка результатов расчета в этом случае требует минимального времени, так как необходимые зависимости получаются в виде осциллограмм. Однако имеют АВМ ряд недостатков, к числу которых следует отнести:

1) сложность и длительность набора рассматриваемой схемы;

2) сложность пересчета масштабных коэффициентов;

3) большую погрешность, достигающую ±10 %;

4) возможность решения систем дифференциальных уравнений ограниченного порядка.

Цифровые вычислительные машины позволяют решать системы дифференциальных уравнений высокого порядка при большей точности расчетов переходного процесса. Однако АВМ позволяют изменять любой параметр системы дифференциальных уравнений, исследуя его влияние на переходный процесс, причем результат расчета можно получить сразу же на осциллографе.

Для математического моделирования переходных процессов в асинхронных двигателях используют систему уравнений Парка-Горева. В целях упрощения принимают синхронно вращающуюся систему координат, т.е. W_x = W_c = 1, 0. В этом случае при сохранении . На основе анализа зависимостей M = f(t), M_c = φ (t) и W = ξ (x), построенных по данным решения систем дифференциальных уравнений Парка-Горева, определяется характер переходного процесса и динамическая устойчивость узла электрической нагрузки.