CC BY
65
УДК 62-83:621.313.333
ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
Ю. А. РУДЧЕНКО, В. А. САВЕЛЬЕВ, Н. В. САМОВЕНДЮК,
А. А. ТОЛСТЕНКОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
В ряде областей народного хозяйства, где требуется осуществлять колебательное движение рабочего органа машины без повышенных требований к качеству колебаний, более перспективным оказывается применение автоколебательных режимов работы электродвигателей. Это, например, испытательные стенды пружинных подвесок и других упругих элементов, станки-качалки, аппараты спортивной вибростимуляции, игрушки, рекламные качающиеся устройства, колокола и т. д. В подобного рода устройствах естественным образом создается автоколебательная электромеханическая система «двигатель - упругий элемент». В качестве упругого элемента здесь выступает нагрузка в виде маятника или пружины, а в качестве двигателя - трехфазный общепромышленный асинхронный электродвигатель (рис. 1).
Рис. 1. Трехфазный асинхронный двигатель с пружиной на валу:
1 - трехфазный асинхронный двигатель; 2 - станина; 3 - вал двигателя; 4 - пружина
Необходимым условием работы асинхронного двигателя в автоколебательном режиме является создание в его воздушном зазоре пульсирующего магнитного поля, что достигается путем включения двигателя в однофазную сеть [1]. В данной работе предлагается несколько способов пуска асинхронного двигателя в автоколебательный режим.
Конденсаторный пуск. Как известно [2], запустить асинхронный двигатель непосредственно включением в однофазную сеть невозможно. Это обусловлено
характером магнитного поля, которое при таком включении двигателя является пульсирующим. При этом пусковой момент двигателя равен нулю.
Для получения пускового момента асинхронного двигателя требуется создать в его воздушном зазоре вращающееся магнитное поле. Это достигается путем включения последовательно с одной из обмоток двигателя конденсатора. Схема подключения обмоток трехфазного асинхронного двигателя при конденсаторном пуске в автоколебательный режим показана на рис. 2.
КМ1
Рис. 2. Схема включения обмоток трехфазного асинхронного двигателя при конденсаторном пуске в автоколебательный режим
При включении конденсатора последовательно с одной из обмоток, например, с обмоткой II, магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая током этой обмотки, получается сдвинутой во времени относительно МДС первой и третьей обмоток. В результате взаимодействия МДС всех обмоток возникает вращающееся магнитное поле и пусковой момент. Ротор двигателя начинает поворачиваться.
После достижения валом двигателя заданного угла поворота замыкается контакт конечного выключателя QS, конденсатор шунтируется контактом контактора КМ2 и двигатель переходит в режим автоколебаний. Одна из возможных схем управления конденсаторным пуском приведена на рис. 3.
При нажатии кнопки «Пуск» SB1 замыкаются силовые контакты контактора КМ1, обеспечивающие подключение двигателя к однофазной сети. Кнопка «Стоп» SB2 служит для отключения двигателя от сети.
Режим автоколебаний достигается следующим образом. После шунтирования конденсатора по фазным обмоткам двигателя протекает ток, который создает неподвижное в пространстве пульсирующее с частотой сети магнитное поле. При этом в обмотке ротора наводится электродвижущая сила (ЭДС) и протекает ток. В результате взаимодействия этого тока с полем статора создается вращающий момент. По мере поворота вала ротора электродвигателя позиционный момент от действия пружины, присоединенного к валу двигателя (рис. 1), увеличивается. После того, как позиционный момент станет больше момента двигателя, скорость последнего начнет уменьшаться вплоть до полной остановки двигателя. В этот момент времени вращающий момент двигателя становится равным нулю, а позиционный момент от действия пружины достигает своего максимального значения. Далее ротор двигателя начинает раскручиваться в обратную сторону за счет воздействия на него позиционного момента пружины и цикл повторяется.
Рис. 3. Схема управления конденсаторным пуском двигателя в автоколебательный режим
Трехфазный пуск. В электроустановках, где есть трехфазная сеть, более целесообразным является трехфазный пуск асинхронного двигателя в автоколебательный режим. Его преимуществом по сравнению с конденсаторным пуском является более высокий пусковой момент и отсутствие необходимости в использовании фазосдвигающего элемента.
Для обеспечения запуска асинхронного двигателя в автоколебательный режим предлагается на время пуска соединять обмотки двигателя в «звезду» и подключать к трехфазной сети. Схема включения в сеть и управления запуском двигателя представлены на рис. 4 и 5.
КМ I
Рис. 4. Схема включения обмоток трехфазного асинхронного двигателя при трехфазном пуске в автоколебательный режим
На время пуска, при помощи кнопки SB1, включается контактор ЕМ1, в результате обмотки двигателя соединяются звездой и подключаются к трехфазной сети (рис. 6). В воздушном зазоре двигателя образуется вращающееся магнитное поле, возникает пусковой момент и ротор начинает поворачиваться.
Рис. 5. Схема управления трехфазным пуском двигателя в автоколебательный режим
Рис. 6. Схема включения обмоток двигателя на время пуска
При повороте ротора двигателя на угол, обеспечивающий возникновение устойчивых автоколебаний, замыкается контакт конечного выключателя QS, контактор КМ1 отключается и включается контакт контактора КМ 2. Обмотки двигателя соединяются последовательно и включаются на линейное напряжение трехфазной сети (рис. 7). В результате в воздушном зазоре возникает пульсирующее магнитное поле и асинхронный двигатель входит в автоколебательный режим.
Определение угла поворота ротора. Для успешного запуска асинхронного двигателя в автоколебательный режим требуется знать угол поворота ротора, при достижении которого должен шунтироваться конденсатор - при конденсаторном пуске, или обмотки двигателя должны переключаться с трехфазной схемы включения (рис. 6) на однофазную - при трехфазном пуске (рис. 7).
Для определения угла переключения требуется решить уравнение движения электромеханической автоколебательной системы «однофазный асинхронный двигатель -позиционный элемент». В качестве позиционного элемента может выступать нагрузка пружинного или маятникового типа, закрепленная на валу двигателя.
-0- А
-0 B
-0 C
Рис. 7. Схема включения обмоток после запуска двигателя
Уравнение движения электромеханической автоколебательной системы «однофазный асинхронный электродвигатель - линейная пружина» можно записать в виде [3]:
ф + ф =(Ф) = м-1<р - м 2<р 3 - Дз^п(Ф) - м 4<р >
(1)
где ф, ф, ф - угловое перемещение ротора, его скорость и ускорение соответственно; /(ф) - функция, учитывающая диссипативные силы нагрузки и электромагнитные силы однофазного асинхронного двигателя; щ, ..., д4 - коэффициенты, учитывающие параметры автоколебательной системы, можно определить по выражениям, приведенным ниже в виде таблицы.
Коэффицие нты Аналитические соотношения Коэффицие нты Аналитические соотношения
Мі З'ІЗ • м ,р Мз М тр 1
2 • ш і • ш о • 3 Е ш 0 • 3 1
М2 3^ • Мкр -ш0 2 • ш3 • 3 ^ М4 Н X 31 • шо
Примечание. Мкр - критический момент однофазного асинхронного двигателя; ш1 - синхронная скорость асинхронного двигателя; ш 0 = ^Є^/31 - собственная частота колебаний; Є^ - суммарный коэффициент жесткости; 31 - суммарный момент инерции системы; Мтр1 -суммарный момент сухого (Кулоновского) трения; Н^ - суммарный коэффициент демпфирования.
Решение уравнения (1), при определенных условиях [3], дает два положительных вещественных корня:
4
Фмі = з -л/^ • у - 120° I
(2)
где фМ - амплитуда колебаний; у, X,, X 2 - бифуркационные параметры
автоколебательной системы, определяемые по выражениям:
у = агссоБ
р
№
Й2 ’
X = ^
Й2
Анализ устойчивости движения позволяет установить, что корень ф м1 является амплитудой неустойчивых предельных циклов колебаний, а корень фм2 - устойчивых.
Рис. 8. Фазовый портрет автоколебательного движения
Если срабатывание конечного выключателя QS (рис. 3 и 5) будет происходить при углах, меньших фм1, то автоколебания ротора двигателя будут неустойчивыми и двигатель остановится. Если значение угла переключения ( фпер) будет лежать в интервале фм1 < Фпер - Фм2, то двигатель будет устойчиво работать в автоколебательном режиме,
однако будет постоянно срабатывать конечный выключатель (так как амплитуда колебаний больше угла переключения), что приведет к быстрому выходу его из строя. Следовательно, угол переключения фпер должен быть больше величины фм2, т. е.
Заключение
Конденсаторный пуск асинхронного двигателя в автоколебательный режим следует использовать в электроустановках с однофазной сетью.
В электроустановках, где есть трехфазная сеть, более рациональным является трехфазный пуск асинхронного двигателя в автоколебательный режим.
Угол переключения обмоток двигателя с трехфазного включения на однофазное должен быть больше амплитуды устойчивых предельных циклов колебаний.
Литература
1. Луковников, В. И. Исследование автоколебательного движения однофазного асинхронного электродвигателя с линейной пружиной на валу / В. И. Луковников, Л. В. Веппер // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2001. - № 2. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2001. - С. 33-42.
2. Торопцев, Н. Д. Трехфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором / Н. Д. Торопцев. - Москва : НТФ «Энергопрогресс», 2000. - 72 с.
3. Луковников, В. И. Критический сравнительный анализ методов исследования
электромеханических автоколебательных систем / В. И. Луковников,
Г. И. Селиверстов, Ю. А. Рудченко //Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. -2007. - № 2. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2001. - С. 76-81.
Получено 12.11.2009 г.
