Механическая характеристика асинхронного двигателя

Уравнение вращающего момента асинхронного двигателя

Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I2’:

получим уравнение вращающего момента асинхронного двигателя:

где U1 — фазное напряжение обмотки статора.

29. Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валуn = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 — n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

30 Механическая характеристика и саморегулирование двигателя. График, связывающий между собой механические величины — скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис.7) n = ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n1 и вращающий момент М1. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту Мт1, т.е. М1=Мт1, n1= сonset. Увеличение тормозного момента до М2, вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента. С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя. Этот процесс заканчивается тогда, когда вращающий момент М2, развиваемый двигателем, станет равным Мт2. При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чем n1. Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием.

На лабораторном стенде двигатель нагружается электротормозом, состоящим из электромагнита, в зазоре которого вращается диск, посаженный на вал двигателя. Изменяя ручкой автотрансформатора напряжение, питающее катушку электромагнита, можно менять тормозное усилие, момент которого равен: МТОРМ = F• r (Н·м)

где F — усилие (сила), действующая на окружность шкива, (Н);

r — радиус шкива, равен 0,18 м. Полезная мощность на валу двигателя:

( Вт),

гдеn — скорость вращения двигателя, об/мин.

где ƒ — частота сети (равна 50 Гц),

р — число пар полюсов обмотки статора (равно 2).

n1 — синхронная скорость вращающего магнитного поля.

Скорость вращения двигателя определяется с помощью тахометра. Скольжение рассчитывают по формуле:

s %

31 Рабочими характеристиками называют зависимости мощности, потребляемой двигателем , потребляемого тока I, коэффициента мощности, скорости вращения двигателя , к.п.д.и вращающего момента М от полезной мощности двигателя, отдаваемой на валу. Рабочие характеристики определяют основные эксплуатационные свойства асинхронного двигателя. Рабочие характеристики асинхронного двигателя средней мощности показаны на рис. 8.8. Их поведение объясняется следующим образом. При малых нагрузках потребляемый двигателем ток I (ток холостого хода) может составлять от 20 до 70 % номинального тока. При увеличении нагрузки возрастает ток в цепи ротора, что приводит к почти пропорциональному увеличению тока I в цепи статора.

Рис.8.8 Вращающий момент двигателя () также почти пропорционален нагрузке, но при больших нагрузках линейность графика несколько нарушается за счет уменьшения скорости вращения двигателя. Рабочая характеристика выражает зависимость между развиваемой двигателем мощностью и фазовым сдвигом между током и напряжением статора. Асинхронный двигатель, как и трансформатор, потребляет из сети ток I, значительно отстающий по фазе от приложенного напряжения. Например, в режиме холостого хода . При увеличении нагрузки на валу двигателя растут активные составляющие токов ротора и статора, увеличивая . Максимального значения достигает при .

При дальнейшем увеличении величина будет несколько уменьшаться. Это объясняется увеличением скольжения s что вызывает повышение реактивного сопротивления обмотки ротора, а следовательно, и фазового сдвига . С увеличением увеличивается и, т.е. будет уменьшаться.

Поведение рабочей характеристики объясняется следующим образом. Величина к.п.д.определяется отношением полезной мощностик мощности , потребляемой из сети.

Величина называется мощностью потерь. Кроме потерь в стали статора и ротора на перемагничивание и вихревые токи которые вместе с механическими потерями можно считать постоянными, в асинхронном двигателе существуют потяри в меди ,т.е. в обмотках статора и ротора, которые пропорциональны квадрату протекающего тока и, следовательно, зависят от нагрузки. При холостом ходе, как и в трансформаторе, преобладают потери в стали, поскольку , а равен току холостого хода , который невелик. При небольших нагрузках на валу потери в меди все же остаются небольшими, и поэтому к.п.д., определяемый формулой (8.5)

с увеличением сначала резко возрастает. Когда постоянные потери станут равны потерям, зависящим от нагрузки , к.п.д. достигает своего максимального значения. При дальнейшем увеличении нагрузки переменные потери мощности значительно возрастают, в результате чего к.п.д. заметно уменьшается. Характер зависимости ) может быть объяснен из соотношения . Если бы к.п.д. был постоянен, то между и была бы линейная зависимость. Но поскольку к.п.д. зависит от и эта зависимость вначале резко возрастает, а при дальнейшем увеличении нагрузки изменяется незначительно, то и кривая ) сначала растет медленно, а затем резко возрастает.

32 В любой электрической цепи сумма мощностей всех источников электрической энергии должна быть равна сумме мощностей всех приемников и вспомогательных элементов. Получив ранее выражения мощностей можно записать в общем виде уравнение баланса мощности для любой электрической цепи:

(1.35)

ΣE→ I → + ΣU← I → = ΣE← I → + ΣU→ I → + ΣI2r.

Уравнение (1.35) может быть написано как для действительных направлений ЭДС, напряжений и токов, так и для случая, когда некоторые из них являются произвольно выбранными положительными направлениями. В первом случае все члены в нем будут положительными и соответствующие элементы цепи будут в действительности источниками или приемниками электрической энергии. Если же некоторые члены записаны с учетом произвольно выбранных положительных направлений, соответствующие элементы нужно рассматривать как предполагаемые источники и приемники. В результате расчета или анализа какие-то из них могут оказаться отрицательными. Это будет означать, что какой-то из предполагаемых источников является на самом деле приемником, а какой-то из предполагаемых приемников — источником.

33 Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом машины, связанным с переходом ротора из состояния покоя в состояние равномерного вращения, при котором момент двигателя уравновешивает момент сил сопротивления на валу машины. При пуске асинхронного двигателя имеет место повышенное потребление электрической энергии из питающей сети, затрачиваемое не только на преодоление приложенного к валу тормозного момента и покрытие потерь в самой асинхронном двигателе, но и на сообщение движущимся звеньям производственного агрегата определенной кинетической энергии. Поэтому при пуске асинхронный двигатель должен развить повышенный вращающий момент. Для асинхронного двигателя с фазным ротором начальный пусковой момент, соответствующий скольжению sп= 1, зависит от активных сопротивлений регулируемых резисторов, введенных в цепь ротора.

Рис. 1. Пуск трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: а — графики зависимости вращающего момента двигателя с фазным ротором от скольжения при различных активных сопротивлениях резисторов в цепи ротора, б — схема включения резисторов и замыкающих контактов ускорения в цепь ротора. Так, при замкнутых контактах ускорения У1, У2, т. е. при пуске асинхронного двигателя с замкнутыми накоротко контактными кольцами, начальный пусковой момент Мп1 = (0,5 -1,0) Мном, а начальный пусковой ток Iп = (4,5 — 7) Iном и более. Малый начальный пусковой момент асинхронного электродвигателя с фазным ротором может оказаться недостаточным для приведения в действие производственного агрегата и последующего его ускорения, а значительный пусковой ток вызовет повышенный нагрев обмоток двигателя, что ограничивает частоту его включений, а в маломощных сетях приводит к нежелательному для работы других приемников временному понижению напряжения. Эти обстоятельства могут явиться причиной, исключающей использование асинхронных двигателей с фазным ротором с большим пусковым током для привода рабочих механизмов. Введение в цепь ротора двигателя регулируемых резисторов, называемых пусковыми, не только снижает начальный пусковой ток, но одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть максимального момента Mmax (рис. 1, а, кривая 3), если критическое скольжение двигателя с фазным ротором sкр = (R2′ + Rд’) / (Х1 + Х2′) = 1, где Rд’ — активное сопротивление резистора, находящегося в фазе обмотки ротора двигателя, приведенное к фазе обмотки статора. Дальнейшее увеличение активного сопротивления пускового резистора нецелесообразно, так как оно приводит к ослаблению начального пускового момента и выходу точки максимального момента в область скольжения s > 1, что исключает возможность разгона ротора. Необходимое активное сопротивление резисторов для пуска двигателя с фазным ротором определяют, исходя из требований пуска, который может быть легким, когда Мп = (0,1 — 0,4) Mном, нормальным, если Мп — (0,5 — 0,75) Мном, и тяжелым при Мп ≥ Мном. Для поддержания достаточно большого вращающего момента двигателем с фазным ротором в процессе разгона производственного агрегата с целью сокращения длительности переходного процесса и снижения нагрева двигателя необходимо постепенно уменьшать активное сопротивление пусковых резисторов. Допустимое изменение момента в процессе разгона M(t) определяется электрическими и механическими условиями, лимитирующими пиковый предел момента М > 0,85Ммах, момент переключения М2 > > Мс (рис. 2), а также ускорение.

Рис. 2. Пусковые характеристики трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. Переключение пусковых резисторов обеспечено поочередным включением контакторов ускорения Y1, Y2 соответственно в моменты времени t1, t2 отсчитываемые с момента пуска двигателя, когда в процессе разгона вращающий момент М становится равным моменту переключения М2. Благодаря этому на протяжении всего пуска все пиковые моменты получаются одинаковыми и все моменты переключения равны между собой. Поскольку вращающий момент и ток асинхронного двигателя с фазным ротором взаимно связаны, то можно при разгоне ротора установить пиковый предел тока I1 = (1,5 — 2,5) Iном и ток переключения I2, который должен обеспечить момент переключения М2 > Мc. Отключение асинхронных двигателей с фазным ротором от питающей сети всегда выполняют при цепи ротора, замкнутой накоротко, во избежание появления перенапряжений в фазах обмотки статора, которые могут превысить номинальное напряжение этих фаз в 3 — 4 раза, если цепь ротора в момент отключения двигателя окажется разомкнутой.

34 Частотное регулирование. Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой вращения, либо преобразователи частоты — электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводниковых вентилях (тиристорах). В настоящее время преобразователи частоты имеют довольно сложную схему и сравнительно высокую стоимость. Однако быстрое развитие силовой полупроводниковой техники позволяет надеяться на дальнейшее совершенствование преобразователей частоты, что открывает перспективы для широкого применения частотного регулирования. Подробное описание законов управления при частотном регулировании и анализ работы асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты даны в § 4.13 и 4.14. Регулирование путем изменения числа полюсов. Такое регулирование позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. На рис. 4.35 показана простейшая схема (для одной фазы), позволяющая изменять число полюсов обмотки статора в два раза. Для этого каждую фазу обмотки статора разделяют на две части, которые переключают с последовательного соединения на параллельное. Из рисунка видно, что при включении катушек 1-2 и 3-4 в две параллельные ветви число полюсов уменьшается в два раза, а следовательно, частота вращения магнитного поля увеличивается в два раза. При переключении число последовательно включенных витков в каждой фазе уменьшается вдвое, но, так как частота вращения возрастает в два раза, ЭДС, индуцированная в фазе, остается неизменной. Следовательно, двигатель при обеих частотах вращения может быть подключен к сети с одинаковым напряжением. Чтобы не осуществлять переключения в обмотке ротора, последнюю выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить дополнительно две частоты. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными. Регулирование путем включения реостата в цепь ротора. При включении в цепь ротора добавочных активных сопро-тивлений Rдоб1 , Rдоб2 , Rдоб3 и других изменяется форма зависимости М = f(s) и механической характеристики n2 = f(M) двигателя (рис. 4.37, а). При этом некоторому нагрузочному моменту Мн соответствуют скольжения s1 , s2 , s3 , …, большие, чем скольжения se , при работе двигателя на естественной характеристике (при Rдоб = 0). Следовательно, установившаяся частота вращения двигателя уменьшается от nе до п1 п2, п3,… (рис. 4.37,б). Этот метод регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются: а) большие потери энергии в регулировочном реостате; б) чрезмерно «мягкая» механическая характеристика двигателя при большом сопротивлении в цепи ротора. В некоторых случаях последнее является недопустимым, так как небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существенное изменение частоты вращения.

35 Асинхронный генератор — это работающая в генераторном режиме асинхронная электрическая машина (ел. двигатель). При помощи приводного двигателя (в нашем случае ватродвигателя) ротор асинхронного электрогенератора вращается в одном направлении с магнитным полем. Скольжение ротора при этом становится отрицательным, на валу асинхронной машины появляется тормозящий момент, и генератор передает энергию в сеть. Для возбуждения электродвижущей силы в его выходной цепи используют остаточную намагниченность ротора. Для этого применяются конденсаторы. Асинхронные генераторы не восприимчивы к коротким замыканиям. Асинхронный генератор устроен проще синхронного (например автомобильного генератора): если у последнего на роторе помещаются катушки индуктивности, то ротор асинхронного генератора похож на обычный маховик. Такой генератор лучше защищен от попадания грязи и влаги, более устойчив к короткому замыканию и перегрузкам, а выходное напряжение асинхронного электрогенератора отличается меньшей степенью нелинейных искажений. Это позволяет использовать асинхронные генераторы не только для питания промышленных устройств, которые не критичны к форме входного напряжения, но подключать электронную технику. Именно асинхронный электрогенератор является идеальным источником тока для приборов, имеющих активную (омическую) нагрузку: электронагревателей, сварочных преобразователей, ламп накаливания, электронных устройств, компьютерную и радиотехнику. Преимущества асинхронного генератора. К таким преимуществам относят низкий клирфактор (коэффициент гармоник), характеризующий количественное наличие в выходном напряжении генератора высших гармоник. Высшие гармоники вызывают неравномерность вращения и бесполезный нагрев электромоторов. У синхронных генераторов может наблюдаться величина клирфактора до 15%, а клирфактор асинхронного электрогенератора не превышает 2%. Таким образом, асинхронный электрогенератор вырабатывает практически только полезную энергию. Еще одним преимуществом асинхронного электрогенератора является то, что в нем полностью отсутствуют вращающиеся обмотки и электронные детали, которые чувствительны к внешним воздействиям и довольно часто подвержены повреждениям. Поэтому асинхронный генератор мало подвержен износу и может служить очень долго. На выходе наших генераторов идет сразу 220/380В переменного тока, который можно использовать напрямую к бытовым приборам (например обогреватели), для зарядки аккумуляторов, для подключения к пилораме, а также для параллельной работы с традиционной сетью. В этом случае Вы будете оплачивать разницу потребленной из сети и сгенерированной ветряком. Т.к. напряжение идет сразу промышленных параметров, то Вам не понадобятся различные преобразователи (инверторы) при прямом включении ветрогенератора к Вашей нагрузке. Например Вы можете напрямую подключить к пилораме и при наличии ветра — работать так, как если бы Вы просто подключились к сети 380В. Как известно, для сокращения времени торможения при остановке производственных машин и механизмов часто применяются механические тормоза. Сокращение времени торможения, особенно в случае непродолжительного цикла работы, приводит к существенному повышению производительности машин и механизмов. Недостатками механических тормозов являются быстрый износ трущихся поверхностей, сложность и необходимость периодического регулирования тормозящего усилия, необходимость дополнительного места для размещения тормоза и его соединения с механизмом. Все перечисленные недостатки устраняются, если для указанных целей вместо механического тормоза использовать свойства электродвигателей работать в тормозных режимах, т. е. работать по существу в качестве генератора и развивать не вращающий, а тормозной момент. Во многих подъемно-транспортных машинах (кранах, лифтах, эскалаторах и т. д.), где возможно движение под действием сил тяжести, с помощью тормозного момента электродвигателя обеспечивается постоянная, установившаяся скорость опускания грузов. Электродвигатели постоянного тока могут работать в трех тормозных режимах:

— в режиме противовключения;

— в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть;

— в режиме динамического торможения.

В любом из тормозных режимов электродвигатель работает как генератор, преобразует, например, кинетическую энергию движущихся частей либо потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию.

36 При реверсировании двигателя на ходу путем переключения рубильника вначале происходит торможение от данной скорости до нулевой, а затем разгон в другом направлении. Такое торможение может быть использовано также для торможения при так называемом противовключении. При таком реверсировании или торможении у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором имеют место значительные токи. Поэтому исходя из условий нагрева для этих двигателей допустимо число реверсирований в час не более десятков. Для ограничения токов и увеличения вращающих моментов в цепь фазного ротора асинхронного двигателя вводят сопротивление. Рассмотрим три основных способа электрического торможения асинхронных двигателей. Торможение по способу противовключения, как было указано, производится при переключении двигателя на ходу. Магнитное поле при этом вращается в другую сторону относительно направления вращения двигателя, и вращающий момент двигателя является тормозным — действует против направления вращения. Генераторное торможение имеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератором. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Генераторное торможение может быть также в подъемнике при спуске тяжелого груза, разгоняющего двигатель до скорости, превышающей синхронную; тогда машина начинает отдавать в сеть энергию, сообщаемою ей опускающимся грузом. Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможении следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключение). Фиксации положения в конце при необходимости производится только с помощью механического тормоза. При динамическом торможении обмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного или однофазного переменного токи. При этом возможны различные способы соединения фаз обмотки статора. Обмотка статора, питаемая постоянным током, создает неподвижное магнитное поле. Аналогично тому, как при нормальной работе двигателя его вращающееся поле увлекает за собой ротор, неподвижное поле при динамическом торможении заставляет ротор быстро останавливаться. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Плавность торможения обеспечивается регулированием напряжения на зажимах статора, Тормозной момент двигателя с фазным ротором может регулироваться также реостатом в цепи ротора. Недостатком динамического торможения является необходимость наличия источника постоянного тока с низким напряжением.

37 Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного то ка или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

§2.4. Основные характеристики трехфазных асинхронных двигателей

Электромагнитный момент.
Полная механическая мощность двигателя
создается в результате вращения ротора с угловой скоростью ω2 под действием момента Мэм т.е.

Рмех = Мэмω2 (2.19)

Эта мощность может быть определена по схеме замещения как электрическая мощность, выделяющаяся на условном сопротивлении нагрузки Rну’, умноженная на число фаз статора:

Pмех= m1 (I2′)2 R2′ (1-s) /s (2.20)

На основании (2.19) и (2.20) с учетом (2.8) можно записать

Mэм = (m1(I2′)2R2′ /s) /ω1 (2.21)

При расчете момента по формуле (2.21) ток I2′ определяется по схеме замещения (рис. 2.10 ) для соответствующего скольжения.
Формулу (2.21) можно преобразовать, подставив в нее выражение для тока I2′, получаемое при определенных допущениях из схемы замещения

Mэм = (m1U1R2’/s) /ω1·( (R1+CR2/s)2 + (x1+Cx2′)2) (2.22)

Коэффициент C, входящий в формулу (2.22), есть модуль комплексного коэффициента С = 1 + (z1 /zm), появляющегося в ходе преобразования. Допущение заключается в учете только модуля коэффициента С, т.к. его аргумент в реальных машинах очень мал. В реальных машинах (исключая микромашины) С = 1,03–1,08 и при качественном анализе иногда принимают С = 1.
Выражение (2.21) можно также преобразовать, выразив активное падение напряжения в роторе I2′ R2′ /s через ЭДС на основании формул (2.15) и (2.16)

I2′ R2′ /s = E2′ cos ψ2 (2.23)

Подставляя (2.23) в (2.21) и выполняя преобразования с учетом (2.18) и (2.12) получаем

Mэм = k Фм I2′ cos ψ2 (2.24)

где k — конструктивный коэффициент.
Как видно из (2.24), электромагнитный момент прямо пропорционален основному магнитному потоку Фм и активной составляющей тока ротора I2′ cos ψ2.
Формулы момента (2.21), (2.22) и (2.24) получены для режима двигателя, но они справедливы и для других режимов с учетом знака и диапазона значений скольжения s. Зависимость электромагнитного момента от скольжения графически представлена на рис. 2.11 (сплошная линия).

Рис. 2.11

Такой вид характеристики легко поясняется с помощью формул (2.24), (2.15) и (2.16). При увеличении скольжения ток ротора I2 непрерывно растет, но становится все более индуктивным – уменьшается cos ψ2 так как увеличивается частота токов в роторе и, соответственно, его индуктивное сопротивление. В результате активная составляющая тока ротора и, соответственно, электромагнитный момент вначале растут, а затем начинают убывать.
Скольжение, при котором момент достигает максимального значения Mмах, называется критическим и обозначается sкр. Для определения sкр необходимо, воспользовавшись выражением (2.22), взять производную dMэм /ds и приравнять ее нулю. Решение получающегося уравнения имеет вид

sкр= ±C·R2′ /√(R1′ + 2) (2.25)

Принимая в первом приближении С1≈ 1 и R1≈ 0, получим

sкр= ±R2′ /(x1+x2′) (2.26)

В большинстве асинхронных двигателей необходимо обеспечить высокий КПД. Поэтому активное сопротивление обмоток, в частности R2, определяющее уровень электрических потерь в роторе, стремятся получить малым. При этом критическое скольжение лежит в диапазоне .
Подставляем (2.25) в (2.22) и получаем выражение максимального момента:

Mmax= ± m1U12 /2 ω 1C· (2.27)

Знак «+» относится к двигательному режиму, «-» – к генераторному.
Как видно, максимальный момент пропорционален квадрату напряжения питания, не зависит от активного сопротивления роторной цепи R2 и наступает при тем большем скольжении, чем больше активное сопротивление роторной цепи (рис. 2.11, штрих-пунктирная линия, R2B>R2A).
Пусковой момент двигателя Mп определяется выражением (2.22) при s=1. Значение Mп пропорционально квадрату напряжения питания и возрастает при увеличении R2 (см. рис. 2.11), достигая максимума при sкр =1.
Номинальное скольжение sном, соответствующее номинальному моменту Мном,возрастает с увеличением R2. Это сопровождается ростом электрических потерь в роторной цепи и снижением КПД. У асинхронных двигателей с малым критическим скольжением Sном= 0,02 — 0,06.

Уравнение равновесия моментов на валу двигателя.
Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, преодолевает мо-мент нагрузки Мн, прикладываемый к валу двигателя, и собственный момент сопротивления двигателя М0 (момент холостого хода), определяемый механическими и добавочными потерями в двигателе. Результирующий момент определяет значение и знак ускорения ротора:

dω/dt = (Mэм — M0 — Mн) /J (2.28)

где J — момент инерции вращающихся частей – ротора и на-грузки.
Это диффиренциальное уравнение движения электропривода, состоящего из двигателя и нагрузки, преобразованное к виду

Mэм = M0 + Mн + J(dω/dt) (2.29)

называют уравнением равновесия моментов на валу двигателя.
В этом уравнении:
M0 + Mн= Mст — статический момент сопротивления,
J(dω/dt)= Mдин — динамический момент сопротивления.
Электромагнитный момент Mэм за вычетом момента M0 называют полезным или вращающим моментом на валу и обозначают M2. Из уравнений (2.28) и (2.29) следует, что:
1) если Mэм = Mст, то dω/dt = 0, ω = const т.е. двигатель работает в установившемся (статическом) режиме, при этом M2 = Mн;
2) если Mэм> Mст, то угловая скорость ротора возрастает, т.е. двигатель работает в переходном ( динамическом ) режиме;
3) если Mэм< Mст, то угловая скорость ротора убывает, т.е. двигатель работает в переходном режиме.
В общем случае при составлении уравнения равновесия моментов следует учитывать знаки моментов, которые определяются направлением действия моментов по отношению к положительному направлению вращения. Если двигатель создает электромагнитный момент, действующий в положительном направлении, то момент считается положительным (Mэм> 0). Если двигатель переходит в тормозной режим, его момент начинает действовать в противоположном направлении (Mэм< 0).
Статические моменты сопротивления, создаваемые рабочим механизмом и передаточным устройством, бывают двух видов:реактивные и активные. Реактивные моменты сопротивления всегда направлены против направления вращения, т.е. являются тормозными (Mст< 0). К реактивным моментам относятся моменты сил трения, в том числе в самом двигателе, моменты сопротивления при резании металла на обрабатывающих станках и т.д. Активный момент всегда действует в одном и том же направлении, независимо от направления вращения, т.е. может либо препятствовать движению (Mст> 0), либо способствовать ему (Mст< 0). К активным моментам относятся моменты сил тяжести, сил упругости пружин и т.д.

Механические характеристики.
Уравнением естественной механической характеристики асинхронного двигателя является выражение (2.21) или (2.22) с заменой скольжения S на угловую скорость ω2 по (2.8) при U1= const. График характеристики изображен на рис. 2.12,а.

Рис.2.12

Оценим механическую характеристику по показателям устойчивости, жесткости и линейности.
Считается, что двигатель в разомкнутом приводе работает устойчиво, если после снятия возмущения он автоматически возвращается в исходную рабочую точку на механической характеристике. Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость угловой скорости ротора от электромагнитного момента: ω2= f(Mэм).Механической характеристикой нагрузки является зависимость статического момента сопротивления на валу двигателя от угловой скорости: Mст = f(ω2).
Теоретически установившийся режим работы двигателя возможен в точках А1 и А2, где Mэм=Mст.А. Пусть двигатель работает с нагрузкой Mст.А=const в точке А1 и появляется возмущение, приводящее к увеличению угловой скорости ??. Тогда двигатель создает вращающий момент, соответствующий точке А1′, а нагрузка – момент сопротивления, соответствующий точке А1. При этом Mэм< Mст, в соответствии с уравнением равновесия моментов угловая скорость ω2 уменьшается и двигатель возвращается в точку А1. Возврат в точку А1 будет происходить и при отрицательном приращении скорости (точка А1» ). Если двигатель работает c нагрузкой в точке А2, то при возмущении, приводящем к увеличению скорости, двигатель создает вращающий момент, соответствующий точке А2′, а нагрузка – момент сопротивления, соответствующий точке А2. При этом Mэм>Mст и угловая скорость продолжает увеличиваться, двигатель уходит от точки А2. Возврата в точку А2 не происходит и при отрицательном приращении скорости (точка А2» ). В этом случае скорость будет продолжать уменьшаться вплоть до остановки двигателя.
Следовательно в точке А1 двигатель работает устойчиво, а в точке А2 – неустойчиво. В общем случае, формальным признаком устойчивой работы двигателя является неравенство

(dMэм /dω2) < (dMст /dω2) (2.30)

При моменте нагрузки, не зависящем от скорости, т.е. при Mст= const, это неравенство принимает вид

(dω2 /dMэм) < 0 (2.31)

Исходя из понятия устойчивости работы двигателя в разомкнутом приводе, принято называть механическую характеристику двигателя устойчивой, если она обеспечивает устойчивую работу двигателя при Mст= const.
Если воспользоваться формальным признаком устойчивости (2.31), то легко показать, что при Mст= const устойчивая работа двигателя обеспечивается только на участке от ω1 до ω2кр. Участок от ω2кр до 0 является неустойчивым. Рабочий диапазон моментов и скоростей электроприводов с асинхронными двигателями выбирается в пределах устойчивой части механической характеристики двигателя. Точка номинальной нагрузки Mном располагается на рабочем участке таким образом, чтобы перегрузочная способность Km= Мmax /Мном= 1,7 –3,5. При малом сопротивлении ротора R2 критическая скорость ω2кр=(0,8 – 0,9)ω1 и рабочий участок жесткий. Механическая характеристика в целом нелинейная, но ее рабочий участок близок к линейному.
В пределах рабочего участка происходит саморегулирование двигателя. Увеличение момента сопротивления на валу двигателя от Mст.в до Mст.с приводит к уменьшению угловой скорости ротора от ω2в до ω2с, увеличению ЭДС и тока, наводимых в роторе вращающимся полем, и, соответственно, росту электромагнитного момента до значения, равного новому значению момента сопротивления (переход из точки В в точку С на механической характеристике).

Рабочие характеристики.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя — это зависимости угловой скорости ротора ω2, полезного момента М2, КПД η, коэффициента мощности cos φ1(φ1 — сдвиг по фазе между U1 и I1) и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = Uном и f1 = fном (рис. 2.12, б). Рабочие характеристики могут быть либо сняты экспериментально, либо рассчитаны с использованием схемы замещения.
При переходе от режима х.х. (двигатель не нагружен) к режиму номинальной нагрузки угловая скорость ротора снижается незначительно, т.к. ω2=(1 — s)ω1, а Sном, как отмечалось, составляет единицы процентов. Соответственно, полезный момент М2= P2 /ω2 возрастает по закону, близкому к линейному. Изменение тока статора определяется реакцией ротора; относительно большое значение тока при холостом ходе объясняется наличием воздушного зазора. Ток х.х. в основном индуктивный, и соответственно низок cos φ10 – порядка 0,1 – 0,2. По мере роста нагрузки возрастает потребляемая активная электрическая мощность и cos φ1 растет – его максимальное значение достигает 0,7 — 0,9. Ток сохраняет активно-индуктивный характер ( φ1>0 ) и питающая сеть загружается реактивным током. КПД двигателя η= Р2 /Р1, где Р1 – активная электрическая мощность, потребляемая двигателем. При симметричном питании Р1 = m1U1I1cos φ1, где U1, I1 – фазные напряжение и ток. Зависимость КПД от мощности Р2= Р1 -Δpэ -Δpм -Δpмех имеет такой же вид, как и у трансформатора, т.к. в двигателе потери также подразделяются на постоянные и переменные. Для машин малой и средней мощности максимальное значение КПД η = 0,7 – 0,9, при этом меньшие значения относятся к двигателям меньшей мощности, у которых относительно больше активное сопротивление обмоток.

| Оглавление |

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Механическая характеристика асинхронного двигателя это зависимость частоты вращения вала двигателя от момента на его валу n2=f(M) или S=f(M). Механическая характеристика изображена на рис. 13. На характеристике можно выделить четыре характерные точки:

1 Точка идеального холостого хода. В ней М=0, S=0;

2 Точка номинального режима работы. В ней М=МН, S=SН. Значения n2Н и МН можно определить по каталожным данным двигателя;

3 Точка максимального или критического момента. В ней М=Мm, S=SK. Данная точка характеризует перегрузочную способность двигателя.

Рис. 13

В каталогах для определения параметров данной точки приводится величина кратности критического момента двигателя:

Величина кратности позволяет определить максимально возможный момент двигателя.

4. Точка пуска. В ней М=МП, S=1. Данная точка характеризует пусковые свойства двигателя. В каталогах для определения пусковых свойств приводится величина кратности пускового момента двигателя:

В каталогах приводится также коэффициент кратности пускового тока

который позволяет определить величину тока двигателя в момент пуска.

Синхронные машины

Синхронные машины как двигатели применяются обычно в приводах большой мощности (более 600 кВт) или как микродвигатели, где требуется строгое постоянство скорости: электрочасы, самопишущие приборы и др. Наибольшее распространение получил генераторный режим работы синхронных машин, и почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, часто называемыми турбогенераторами. Синхронные генераторы на напряжение до 1000 В применяются в агрегатах для автономных систем электроснабжения. Агрегаты с этими генераторами могут быть стационарными и передвижными. Большинство агрегатов применяются с дизельными двигателями, но приводом их могут быть газовые турбины, электродвигатели и бензиновые двигатели.

Схема синхронной машины показана на рис. 14. Синхронная машина отличается от асинхронной тем, что ток в обмотке ротора появляется не при вращении ее в магнитном поле статора, а подводится к ней от постороннего источника постоянного тока. Статор синхронной машины выполнен так же, как и асинхронной, и на нем обычно расположена трехфазная обмотка. Обмотка ротора в синхронной машине создает магнитный поток возбуждения и называется обмоткой возбуждения. Вращающаяся обмотка ротора соединяется с внешней цепью источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток. Обмотка якоря в машине (генераторе) — это обмотка, в которой индуцируется ЭДС и к которой присоединяется нагрузка.

Рис. 14. Схема синхронной машины:

В — обмотка возбуждения, Uв — напряжение В цепи возбуждения

Результирующий магнитный поток создается совместным действием обмоток возбуждения и статора и вращается с той же частотой, что и ротор, поэтому такие машины называются синхронными.

В схеме на рис. 14 статор является якорем, а ротор — индуктором (возбудителем), но может быть и обращенная схема, в которой статор — индуктор, а ротор — якорь как у машины постоянного тока.

В машине с неподвижным якорем применяются две разновидности ротора: явнополюсный ротор имеет явно выраженные полюсы, неявнополюсный ротор не имеет явно выраженных полюсов.

Рис. 15.Принцип устройства явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) синхронной машины

/ — статор (якорь), 2 — ротор (индуктор), 3 — обмотка возбуждения

Постоянный ток в обмотку возбуждения синхронной машины может подаваться от специального генератора постоянного тока, установленного на валу машины и называемого возбудителем, или от сети через полупроводниковый выпрямитель.

При вращении ротора с частотой n2 его магнитное поле возбуждения наводит в статоре ЭДС E1, частота которой

f1=p*n2/60

Из формулы следует, что чем больше число пар полюсов синхронной машины p*, тем меньше должна быть ее скорость вращения п для получения заданной частоты fi.

Поэтому синхронные генераторы обычно выпускают явнополюсными с большим числом пар полюсов.

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, кроме того, требуются два вида тока – переменный и постоянный. Такие двигатели обычно выпускаются большой мощности и имеют большие габариты. Синхронные двигатели имеют проблемы пуска, обусловленные введением ротора в синхронный режим при запуске двигателя. Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: асинхронный пуск на полное напряжение сети и пуск на пониженное напряжение через автотрансформатор. При асинхронном пуске в момент включения (подключения обмоток статора к системе трехфазного тока) обмотки ротора не соединены с источником постоянного тока, а замкнуты накоротко. Двигатель при этом становится по принципу действия асинхронным. После разгона ротора его замкнутые обмотки размыкаются и подключаются к источнику постоянного тока.

Вместе с тем синхронный двигатель обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.

1. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности (cos фи) равным единице. Если для предприятия необходима выработка реактивной энергии, то синхронный электродвигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть.

2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Механическая характеристика синхронного электродвигателя.

Характеристики асинхронных двигателей. Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика. Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n1 (скольжение sном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент Mmax двигатель развивает при некоторое скольжении skp, составляющем 10—20%. Отношение Mmax/Mном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение Мп/Мном — его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки Мвн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения Mmax (до точки В). Если нагрузочный момент Мвн превысит момент Mmax, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R1п (кривая 2), R2п (кривая 3) и R3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R2 и возрастает sкp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент Мп также зависит от R2. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент Мп был равен наибольшему Мmax.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент Мп такого двигателя значительно больше, чем момент М’п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М2, тока статора I1 коэффициента полезного действия ? и cos?1, от полезной мощности Р2 = Рmx при номинальных значениях напряжения U1 и частоты f1 (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М2 пропорционален мощности Р2, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента Мтр, создаваемого силами трения.

Ток статора I1, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I0. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos?1 асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.
Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75Uном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

  • •Основы теории электропривода введение
  • •Тема лекции 1 Основные понятияэлектропривода план лекции
  • •1.1. Структурная схема электропривода
  • •2. Классификация электроприводов
  • •Тема лекции 2 Силы и моменты, действующие в системе электропривода план лекции
  • •Виды статических моментов (активный и реактивный)
  • •Приведение статических моментов к валу электродвигателя
  • •Расчёт мощности электродвигателя упрощенного электропривода лебёдки
  • •Приведение моментов инерции к одной оси вращения
  • •Приведение масс, движущихся поступательно, к валу двигателя
  • •Тема лекции 3
  • •Уравнение движения электропривода
  • •Время пуска двигателя в холостом режиме и под нагрузкой
  • •Пуск двигателя в холостом режиме
  • •Пуск двигателя под нагрузкой
  • •Время торможения и изменения скорости электропривода Разгон двигателя от скорости до
  • •Свободный выбег
  • •Время торможения электропривода
  • •Время изменения скорости электропривода
  • •Путь рабочего органа за время пуска и торможения
  • •Тема лекции 4 Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы план лекции
  • •Момент и мощность вращательного движения
  • •Изображение характеристики механизмов в теории электропривода
  • •Различают два основных вида механических характеристик судовых исполнительных механизмов:
  • •Статические моменты судовых механизмов
  • •Изображение характеристик исполнительного механизма при работе в электроприводе с разными двигателями
  • •Режими роботи електродвигунів у квадрантах системи координат кутова швидкість — момент ω (m)
  • •Тема лекции 5 Передача механической энергии при подъёме и спуске груза план лекции
  • •Подъем груза
  • •Тормозной режим (спуск груза)
  • •Построение нагрузочных диаграмм
  • •Сопоставление формул вращательного движения с формулами поступательного движения
  • •Тема лекции 6
  • •План лекции
  • •Задачи выбора электродвигателя (эд)
  • •Выбор рода тока и напряжения эд
  • •Типы двигателей в зависимости от назначения
  • •Выбор номинальной скорости эд
  • •Выбор двигателя по мощности
  • •Тема лекции 7 Нагревание и охлаждение электродвигателей план лекции
  • •Классификация изоляции
  • •Тепловой баланс и превышение температуры электродвигателей
  • •Постоянные времени нагрева и охлаждения
  • •План лекции
  • •Международная система классификации режимов работы электродвигателей
  • •Продолжительный режим s1
  • •Кратковременный режим s2
  • •Повторно–кратковременный режим s3
  • •Условия выбора электродвигателей для судовых электроприводов
  • •Расчет мощности и выбор электродвигателя для различных режимов работы
  • •Номинальная мощность электродвигателя при длительной переменной нагрузке
  • •Метод средних потерь
  • •Метод эквивалентных величин (тока, момента, мощности)
  • •Расчет мощности и выбор электродвигателя для повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы
  • •Расчет мощности и выбор электродвигателя для кратковременного режима
  • •Тема лекции 10 Механические характеристики электродвигателей план лекции
  • •1.Естественные и искусственные механические характеристики электродвигателей
  • •Естественная механическая характеристика синхронного двигателя
  • •Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока
  • •Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя
  • •Тема лекции 11 Саморегулирование электродвигателей план лекции
  • •Изменение скорости электродвигателей
  • •Саморегулирование электродвигателей постоянного тока
  • •Саморегулирование асинхронных двигателей (ад)
  • •Равновесие моментов устанавливается при новом значении скорости вращения вала эд.
  • •Процесс саморегулирования асинхронных двигателей при увеличении момента сопротивления механизма
  • •Активная и реактивная составляющие тока в асинхронном двигателе
  • •Тема лекции 12 Устойчивость работы электропривода план лекции
  • •Статическая устойчивость электропривода
  • •Влияние эксплуатационных характеристик электродвигателя на cтатическую устойчивость
  • •Динамическая устойчивость электропривода
  • •Влияние величины напряжения сети на устойчивость электропривода. Опрокидывание электродвигателя
  • •Способы повышения динамической устойчивости саэп
  • •Контрольные вопросы
  • •Способы пуска, регулирования частоты вращенияи торможения электроприводов
  • •Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока
  • •2.1. Основные сведения
  • •Электрическое торможение двигателей постоянного тока
  • •3.1. Основные сведения
  • •Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения
  • •Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока
  • •Реверс двигателей постоянного тока
  • •4.1. Основные сведения
  • •4.2. Реверс изменением направления тока в обмотке якоря
  • •Реверс изменением направления тока в параллельной обмотке возбуждения
  • •Тема лекции 14
  • •Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения
  • •Реостатный пуск двигателей с фазным ротором
  • •Пускасинхронного двигателя при пониженном напряжении на обмотке статора
  • •Введение сопротивления в цепь статора
  • •Тема лекции 16 Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей план лекции
  • •Основные сведения
  • •Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов
  • •Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду»
  • •Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора со звезды(y) на двойную звезду(yy)
  • •Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»
  • •Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора с треугольника на двойную звезду(yy)
  • •Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты тока статора
  • •1.Статический момент не изменяется с изменением скорости
  • •Статический момент нагрузки изменяется по квадратичному закону
  • •§ 5.13. Системы частотного регулирования асинхронных двигателей
  • •21.10.2010 18:37 Администратор
  • •Тема лекции 17 Электрическое торможение асинхронных двигателей
  • •3.1. Основные сведения
  • •Рекуперативное торможение
  • •Рекуперативное торможение при переходе с большей скорости на меньшую
  • •Динамическое торможение асинхронных двигателей
  • •Торможение асинхронных двигателей противовключением
  • •Реверс 3-фазных асинхронных электродвигателей
  • •Условия работы судового электрооборудования. Требования Правил Регистра к судовому электрооборудованию
  • •Требования морских нормативных документов к конструкции судового электрооборудования
  • •Основные сведения
  • •Классификация судового оборудования в зависимости от климатических условий района плавания
  • •Классификация электрооборудования в зависимости от места расположения на судне
  • •Степень защищенности электрооборудования от попадания внутрь воды
  • •Зависимость степени защищённости электрооборудования от типа судовых помещений
  • •Классификация судового оборудования в зависимости от особых условий работы эксплуатации
  • •Классификация судового электрооборудования в зависимости от способа монтажа электрических машин
  • •Примеры условного обозначения форм конструктивного исполнения электрических машин

Основные уравнения асинхронного двигателя

Поиск Лекций

⇐ Предыдущая1234

Напряжение U1, приложенное к фазе обмотки статора, уравновешивается основной ЭДС E1, ЭДС рассеяния и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора:

В роторной обмотке аналогичное уравнение будет иметь вид:

 Но так как роторная обмотка замкнута, то напряжение U2=0, и если учесть еще, что E2s=SE2 и x2s=Sx2 , то уравнение можно переписать в виде:

Уравнение токов асинхронного двигателя повторяет аналогичное уравнение трансформатора:

где

40. Чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, следует параметры обмотки ротора привести к обмотке стато­ра, т. е. обмотку ротора с числом фаз m2, обмоточным коэффици­ентом ko62 и числом витков одной фазной обмоткиω2 заменить об­моткой с m1, ω1 и kоб1. При этом мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам, анало­гичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора (см. § 1.6).

При s = 1 приведенная ЭДС ротора

E’2 = E2 ke, (12.17)

где ke = E1/ E2 =ko61 ω1 /(ko62/ ω2) — коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе. Приведенный ток ротора

I′2 = I2/ ki, (12.18)

где ki = m1 ω1 koб1/ (m2 ω2 ko62) = m1 ke/ m2 — коэффициент трансфор­мации тока асинхронной машины.

В отличие от трансформаторов в асинхронных двигателях ко­эффициенты трансформации напряжения и тока не равны ( kе ≠ ki ). Объясняется это тем, что число фаз в обмотках статора и ротора в общем случае не одинаково ( m1 ≠ m2 ). Лишь в двигателях с фазным ротором, у которых m1 = m2, эти коэффициенты равны.

Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора:

r′2 = r2 ke ki ;

x′2 = x2 ke ki. (12.19)

Следует обратить внимание на некоторую специфику опреде­ления числа фаз m2 и числа витков ω2 для короткозамкнутой об­мотки ротора (см. рис. 10.3). Каждый стержень этой обмотки рас­сматривают как одну фазу, а поэтому число витков одной фазы короткозамкнутой обмотки ротора ω2 = ,0,5; обмоточный коэффи­циент такой обмотки kоб2 = 1, а число фаз m2 = Z2, т. е. равно числу стержней в короткозамкнутой обмотке ротора.

41. В обмотку статора из сети поступает мощность P1. Часть этой мощности идет на потери в стали Pсl, а также потери в обмотке статора Рэ1:

Оставшаяся мощность посредством магнитного потока передается на ротор и называется электромагнитной мощностью:

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора:

Оставшаяся мощность преобразуется в механическую, получившую название полной механической мощности:

Р2’=Рэм-Рэ2

Воспользовавшись ранее полученной формулой

запишем выражение полной механической мощности:

тогда

или

Рэ2=SРэм,

т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.

Мощность на валу двигателя P2 меньше полной механической мощности Р2’ на величину механических Рмех и добавочных Рдоб потерь:

Р2=Р2’-(Рмех.+Рдоб.).

Таким образом:

Р2=Р1-SP,

где

SP=Pсl+Рэ1+Рэ2+Рмех.+Рдоб.

Коэффициент полезного действия есть отношение мощности на валу P2 к потребляемой мощности P1:

42. Электромагнитный момент асинхронной машины создается в результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Связь между моментом и скоростью вращения ротора можно получить из уравнения механической мощности. Если в него подставить выражение для тока ротора, то с учетом того, что угловая частота вращения равна ,получим

Все величины, входящие в это выражение константы, кроме скольжения s. Взяв производную и приравнивая ее нулю, найдем экстремумы функции . Они наступают при критическом скольжении . К приближенному равенству для критического скольжения можно перейти с учетом того, что . Подставляя критическое скольжение в выражение , получим значение максимального момента

. Знак плюс в этих выражениях соответствует двигательному режиму, а минус – генераторному.

Из выражения для следует, что максимальный момент в генераторном режиме больше, чем в двигательном. Однако, пренебрегая также, как это было сделано для , мы получим упрощенное выражение для максимального момента более удобное для качественного анализа –

Полагая в выражении , получим выражение для пускового момента асинхронного двигателя

Полученная зависимость представлена на рисунке. Точка соответствует идеальному холостому ходу машины. Этот режим может быть получен только за счет внешнего вращающего момента.Точка соответствует пусковому режиму или режиму короткого замыкания. Устойчивая работа машины возможна только в пределах скольжений от до , т.к. вне этого участка при увеличении скольжения момент двигателя уменьшается, что приводит к дальнейшему увеличению скольжения (снижению скорости) и этот процесс будет развиваться до полной остановки двигателя. Переход на участок неустойчивой работы называется «опрокидыванием» двигателя. Это происходит, если момент нагрузки больше или равен максимальному, поэтому максимальный момент называют также опрокидывающим.

Номинальный режим работы двигателя соответствует скольжению . Отношение называется перегрузочной способностью. Превышение максимального момента над номинальным является необходимым условием надежной работы двигателя.

Если за счет внешнего вращающего момента вал двигателя раскручивается до скорости выше синхронной , то скольжение становится отрицательным и машина переходит в генераторный режим.

При скольжениях скорость вращения будет отрицательной, т.е. ротор двигателя будет вращаться в направлении противоположном направлению вращения магнитного поля и машина перейдет в тормозной режим или режим противовключения.

На рисунке для наглядности критическое скольжение составляет около 0,5. Такие значения в реальных машинах нормального исполнения не бывают. Они находятся в пределах от 0,1 до 0,02, причем меньшие значения соответствуют машинам большей мощности. Поэтому рабочий участок характеристики практически линейный и может быть заменен прямой .

Выражение не позволяет анализировать свойства характеристики в общем виде. Однако, если его разделить на , то получится удобное выражение в относительных единицах, называемое по имени автора формулой Клосса

В теории электрических машин и электропривода вместо характеристики принято пользоваться механической характеристикой. Механическая характеристика двигателя это зависимость скорости вращения от момента нагрузки на валу, т.е. . Эту характеристику легко можно получить из характеристики , если учесть, что , т.е. она получается смещением оси момента в точку и изменением масштаба оси скольжений. При этом в новой системе координат режимы работы машины (генераторный, двигательный и тормозной) оказываются в различных квадрантах плоскости , а режимы холостого хода и короткого замыкания – в точках пересечения механической характеристики с осями координат.

Линеаризованная механическая характеристика рабочего участка примет вид

43. Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const.

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n2 = n1(1 — s).

Скольжение s = Pэ2/Pэм, т. е. скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n20 ≈ n1.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = Pэ2/Pэм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рис. 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

Зависимость М2 =f(P2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/ (2πn2) = 9,55Р2/ n2,

где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf 2/ 60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n2 = const, то график М2 =f2(Р2) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М2 =f (P2) имеет криволинейный вид.

Рис. 2. Векторная диаграмма асинхронного двигателя при небольшой нагрузке

Зависимость cos φ1 = f (P2). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода.Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I0 при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I1 ≈ I0). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ1 ≈ φ0), лишь немногим меньше 90° (рис. 2).

44. Пусковые свойства асинхронного двигателя зависят от особенностей его конструкции, в частности от устройства ротора.

Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом машины, связанным с переходом ротора из состояния покоя в состояние равномерного вращения, при котором момент двигателя уравновешивает момент сил сопротивления на валу машины.

При пуске асинхронного двигателя имеет место повышенное потребление электрической энергии из питающей сети, затрачиваемое не только на преодоление приложенного к валу тормозного момента и покрытие потерь в самой асинхронном двигателе, но и на сообщение движущимся звеньям производственного агрегата определенной кинетической энергии. Поэтому при пуске асинхронный двигатель должен развить повышенный вращающий момент.

Для асинхронного двигателя с фазным ротором начальный пусковой момент, соответствующий скольжению sп= 1, зависит от активных сопротивлений регулируемых резисторов, введенных в цепь ротора.

Рис. 1. Пуск трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: а — графики зависимости вращающего момента двигателя с фазным ротором от скольжения при различных активных сопротивлениях резисторов в цепи ротора, б — схема включения резисторов и замыкающих контактов ускорения в цепь ротора.

Так, при замкнутых контактах ускорения У1, У2, т. е. при пуске асинхронного двигателя с замкнутыми накоротко контактными кольцами, начальный пусковой момент Мп1 = (0,5 -1,0) Мном, а начальный пусковой ток Iп = (4,5 — 7) Iном и более.

Малый начальный пусковой момент асинхронного электродвигателя с фазным ротором может оказаться недостаточным для приведения в действие производственного агрегата и последующего его ускорения, а значительный пусковой ток вызовет повышенный нагрев обмоток двигателя, что ограничивает частоту его включений, а в маломощных сетях приводит к нежелательному для работы других приемников временному понижению напряжения. Эти обстоятельства могут явиться причиной, исключающей использование асинхронных двигателей с фазным ротором с большим пусковым током для привода рабочих механизмов.

45. Для пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором применяются следующие способы:

· прямой включение,

· пуск при пониженном напряжении питания.

40.2.1. Прямое включение

Прямое включениеасинхронного двигателя в сеть явля­ется наиболее простым способом пуска двигателя. В то же время в этом случае обмотки статора и ротора двига­теля обтекаются большим пусковым током (током КЗ), равным 4—7-кратному значению номинального. Поэтому очень важно, чтобы время пуска двигателя было при этом как можно меньшим. Такой метод пуска применяется для небольших двигателей, или для двигателей, приводящих во вращение небольшие механические нагрузки.

40.2.2. Пуск при пониженном, напряжении

Пуск при пониженном напряжении питания осуществляется обыч­но в тех случаях, когда прямой пуск не допускается по условиям работы сети.

Обычно применяют один из четырех способов пуска при пониженном напряжении:

  • двигателя через понижающий автотрансфор­матор;
  • переключение обмотки статора со звезды на треуголь­ник;
  • включение двигателя через полупроводниковый регуля­тор напряжения.

Во всех этих случаях снижение напряжения ведет не только к пропорциональному уменьшению пускового тока (положительный эффект), но и к резкому (квадратичному) уменьшению пускового момента (отрицательный эффект).

а) Пуск асинхронного двигателя через автотрасформатор

На рис.40.1. показана схема пуска асинхронного двигателя через автотрансформатор.

Рис.40.1. Пуск асинхронного двигателя с помощью автотрансформатора

Уменьшения напряжения при пуске можно достигать включением между сетью и двигателем понижающего авто­трансформатора Т(рис. 40.1). При пуске сначала замыка­ют рубильник QS1,и пониженное напряжение попадает на обмотки двигателя. По достижении ротором достаточной частоты вращения замыкают рубильник OS2,шунтируя автотрансформатор так, что полное напряжение сети по­падает на обмотки двигателя.

б) Пуск с переключением об­моток статора со звезды на тре­угольник

К способам пуска с пониже­нием напряжения можно отнести также пуск с переключением об­моток статора со звезды на тре­угольник (рис. 40.2).

Рис.40.2. Схема пуска двигателя с переключением обмоток со звезды на треугольник

В режиме пуска переключатель QSнахо­дится в положении , причем об­мотка статора включена по схе­ме звезды. После того как ротор достигнет установившейся частоты вращения, переключатель не­обходимо перевести в положение и обмотки статора будут включены по схеме треуголь­ника.

При данном способе пуска фактически снижается на­пряжение, подводимое к каждой фазе двигателя, поскольку при одинаковом напряжении сети фазное напряжение в схеме звезды в раз меньше, чем в схеме треугольника. Пусковой ток в сети при соединении обмотки статора и звезду снижается в раза по сравнению с пусковым током при соединении в треугольник. Однако пусковой мо­мент, пропорциональный квадрату напряжения, снижается в 3 раза.

46. Частота вращения асинхронного двигателя

n = n1 (1 – s) = (60f1/p) (1-s) (85)

Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f1 питающего напряжения, число пар полюсов р и

Рис. 266. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов: а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах

скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу Мвн и частоты f1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.

Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения.Этот способ требует наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну фазу (рис. 266), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них (например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек (рис. 266, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 266, б) — двум. Катушки двух других фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При изменении числа полюсов изменяется частота вращения n1магнитного поля двигателя, а следовательно, и частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n1, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n1 при постоянном наибольшем моменте или при приблизительно постоянной мощности (рис. 267).

В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.

Рис. 267. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)

Рис. 268. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора

Рис. 269. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения

В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения используется только в двигателях с коротко-замкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения поля n1 при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (Rп4, RпЗ, Rп2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту Мном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n4, n3, n2 и т. д., чем частота nе при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при Rп = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).

47. Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трехфазные.

Существует разные схемы подключения, больше вариантов для трёхфазных двигателей, различающиеся способом соединения обмоток двигателя и составом дополнительных элементов, но минимальная работоспособная схема содержит один конденсатор, от чего и происходит название.

Как правило, одна из обмоток («фаза двигателя») запитывается напрямую от однофазной сети, а другие обмотки запитывается через электрический конденсатор, который сдвигает фазу подводимого тока почти на +90°, или через катушку индуктивности, которая сдвигает фазу почти на −90°. Чтобы результирующее вращающееся магнитное поле не было эллиптическим, последовательно с конденсатором включается переменный проволочный резистор, с помощью которого добиваются кругового вращающегося магнитного поля.

Однофа́зный дви́гатель — электродвигатель, конструктивно предназначенный для подключения к однофазной сети переменного тока. Фактически является двухфазным, но вследствие того, что рабочей является только одна обмотка, двигатель называют однофазным.

48. Большинство синхронных машин имеет электромагнит­ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо­ток возбуждения являются специальные системы возбуж­дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж­дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря­жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи­нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по­вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по­вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не­сколько систем. Простейшей из них является электрома­шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис­пользуют специальный генератор постоянного тока GE, на­зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва­ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины Iв относительно велик и составляет не­сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру­ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA, называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора Rш2при работе генератора не изменяется.

49. Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной коротко-замкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током Iпв пусковой обмотке (рис. 6.48, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 6.48, б,обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого Rдоб превышает в 8 — 12 раз активное сопротивление Rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s ≈ 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней вращающимся магнитным полем индуцируется ЭДС Ев = 4,44f2wвФm = 4,4f1swвФm , где f2 = f1s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; wв — число витков обмотки возбуждения; Фm — амплитуда магнитного потока вращающегося поля.

В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Ев может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции. При схеме, изображенной на рис. 6.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением Rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до

s = 0,3 ÷ 0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм. Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 6.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 6.48,б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

50. Под реакцией якоря в синхронных машинах понимают воздействие магнитного поля статора (якоря) на магнитное поле ротора. Реакция якоря оказывает сильное влияние на все электромагнитные процессы в машине. Явление реакции по определению связано с магнитным полем статора, поэтому характер и степень влияния реакции определяется током статора, т.е. нагрузкой машины.

Рассмотрим этот процесс на примере синхронного генератора. Изобразим вращающееся магнитное поле ротора вектором . При вращении оно пересекает неподвижные проводники обмоток статора и наводит в них ЭДС , отстающую от потока на . Ток статора создает магнитный поток статора , совпадающий с ним по направлению. В зависимости от характера нагрузки ток статора может иметь фазовый сдвиг по отношению к ЭДС в пределах .

При чисто активной нагрузке (R) ток и магнитный поток статора совпадают по фазе с и результирующий магнитный поток машины оказывается смещенным относительно потока ротора на некоторый угол в сторону запаздывания. В результате смещения потока магнитное поле ослабляется под набегающими краями полюсов ротора и усиливается под сбегающими. Несмотря на то, что в результате смещения сбегающие края полюсов подмагничиваются, результирующее поле машины ослабляется, т.к. из-за насыщения полюсов в зоне подмагничивания оно проявляется слабее, чем размагничивание на набегающих краях. В целом при активной нагрузке магнитное поле ослабляется и деформируется.

При чисто индуктивной нагрузке (L) ток статора и магнитный поток отстают от ЭДС на . Поток статора оказывается направленным встречно по отношению к потоку ротора и сильно размагничивает машину. Однако, в отличие от активной нагрузки, искажения поля за счет смещения потока не происходит.

При чисто емкостной нагрузке (C) ток статора и магнитный поток опережают ЭДС на и поле в машине усиливается потоком реакции, направленным согласно с потоком ротора. Искажения поля в этом случае также не происходит, а усиление поля вследствие насыщения оказывается выраженным слабо.

В случае активно-реактивной нагрузки (RL и RC) поток статора оказывается смещенным на угол меньший, чем , в сторону запаздывания или опережения. В этом случае магнитный поток статора , можно разложить на продольную и поперечную составляющие. Продольная составляющая будет оказывать при RL нагрузке размагничивающее действие, а при RC нагрузке – подмагничивающее. Поперечная составляющая будет вызывать деформацию поля, аналогичную деформации при активной нагрузке.

Таким образом реакция якоря в синхронной машине изменяет величину и направление магнитного потока, в отличие от асинхронной машины, у которой . Негативное влияние реакции якоря в синхронных машинах снижают увеличением рабочего зазора.

Магнитный поток вызывает искажение магнитного поля ротора, которое проявляется в статоре в виде ЭДС . Так как поток линейно связан с током статора , то эту ЭДС можно представить в комплексной форме через некое индуктивное сопротивление в виде .

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *