Описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Контрольная работа: Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Описание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Контрольная работа: Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Электромагнитный момент .
Полная механическая мощность двигателя
создается в результате вращения ротора с угловой скоростью ω 2 под действием момента М эм т.е.

Р мех = М эм ω 2 (2.19)

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

P мех = m 1 (I 2 ") 2 R 2 " (1-s) /s (2.20)

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

M эм = (m 1 (I 2 ") 2 R 2 " /s) /ω 1 (2.21)

При расчете момента по формуле (2.21) ток I 2 " определяется по схеме замещения (рис. 2.10) для соответствующего скольжения.
Формулу (2.21) можно преобразовать, подставив в нее выражение для тока I 2 " , получаемое при определенных допущениях из схемы замещения

M эм = (m 1 U 1 R 2 "/s) /ω 1 ·((R 1 +CR 2 /s) 2 + (x 1 +Cx 2 ") 2) (2.22)

Коэффициент C , входящий в формулу (2.22), есть модуль комплексного коэффициента С = 1 + (z 1 /z m) , 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 I 2 " R 2 " /s через ЭДС на основании формул (2.15) и (2.16)

I 2 " R 2 " /s = E 2 " cos ψ 2 (2.23)

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

M эм = k Ф м I 2 " cos ψ 2 (2.24)

где k - конструктивный коэффициент.
Как видно из (2.24), электромагнитный момент прямо пропорционален основному магнитному потоку Ф м и активной составляющей тока ротора I 2 " cos ψ 2 .
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).

Такой вид характеристики легко поясняется с помощью формул (2.24), (2.15) и (2.16). При увеличении скольжения ток ротора I 2 непрерывно растет, но становится все более индуктивным – уменьшается cos ψ 2 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 M мах, называется критическим и обозначается sкр. Для определения sкр необходимо, воспользовавшись выражением (2.22), взять производную dM эм /ds и приравнять ее нулю. Решение получающегося уравнения имеет вид

s кр = ±C·R 2 " /√(R 1 " + 2) (2.25)

Принимая в первом приближении С 1 ≈ 1 и R 1 ≈ 0, получим

s кр = ±R 2 " /(x 1 +x 2 ") (2.26)

В большинстве асинхронных двигателей необходимо обеспечить высокий КПД. Поэтому активное сопротивление обмоток, в частности R 2 , 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:

M max = ± m 1 U 1 2 /2 ω 1 C·[± R 1 + √(R 1 2 +(x 1 +Cx 2) 2)] (2.27)

Знак "+" относится к двигательному режиму, "-" – к генераторному.
Как видно, максимальный момент пропорционален квадрату напряжения питания, не зависит от активного сопротивления роторной цепи R 2 и наступает при тем большем скольжении, чем больше активное сопротивление роторной цепи (рис. 2.11 , штрих-пунктирная линия, R 2B >R 2A ).
Пусковой момент двигателя M п определяется выражением (2.22) при s=1 . Значение M п пропорционально квадрату напряжения питания и возрастает при увеличении R 2 (см. рис. 2.11), достигая максимума при s кр =1 .
Номинальное скольжение sном, соответствующее номинальному моменту Мном,возрастает с увеличением R 2 . Это сопровождается ростом электрических потерь в роторной цепи и снижением КПД. У асинхронных двигателей с малым критическим скольжением S ном = 0,02 - 0,06.

Уравнение равновесия моментов на валу двигателя.
Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, преодолевает мо-мент нагрузки М н, прикладываемый к валу двигателя, и собственный момент сопротивления двигателя М 0 (момент холостого хода), определяемый механическими и добавочными потерями в двигателе. Результирующий момент определяет значение и знак ускорения ротора:

dω/dt = (M эм - M 0 - M н) /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

M эм = M 0 + M н + J(dω/dt) (2.29)

называют уравнением равновесия моментов на валу двигателя .
В этом уравнении:
M 0 + M н = M ст - статический момент сопротивления,
J(dω/dt)= M дин - динамический момент сопротивления.
Электромагнитный момент M эм за вычетом момента M 0 называют полезным или вращающим моментом на валу и обозначают M 2 . Из уравнений (2.28) и (2.29) следует, что:
1) если M эм = M ст , то dω/dt = 0, ω = const т.е. двигатель работает в установившемся (статическом) режиме, при этом M 2 = M н ;
2) если M эм > M ст , то угловая скорость ротора возрастает, т.е. двигатель работает в переходном (динамическом) режиме;
3) если M эм < M ст , 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 (M эм > 0). Если двигатель переходит в тормозной режим, его момент начинает действовать в противоположном направлении (M эм < 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 (M ст < 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 (M ст > 0), либо способствовать ему (M ст < 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 ω 2 по (2.8) при U 1 = 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: ω 2 = f(M эм) .Механической характеристикой нагрузки является зависимость статического момента сопротивления на валу двигателя от угловой скорости: M ст = f(ω 2) .
Теоретически установившийся режим работы двигателя возможен в точках А 1 и А 2 , где M эм =M ст.А . Пусть двигатель работает с нагрузкой M ст.А =const в точке А 1 и появляется возмущение, приводящее к увеличению угловой скорости??. Тогда двигатель создает вращающий момент, соответствующий точке А 1 ", а нагрузка – момент сопротивления, соответствующий точке А 1 . При этом M эм < M ст , в соответствии с уравнением равновесия моментов угловая скорость ω 2 уменьшается и двигатель возвращается в точку А 1 . Возврат в точку А 1 будет происходить и при отрицательном приращении скорости (точка А 1 ""). Если двигатель работает c нагрузкой в точке А 2 , то при возмущении, приводящем к увеличению скорости, двигатель создает вращающий момент, соответствующий точке А 2 ", а нагрузка – момент сопротивления, соответствующий точке А 2 . При этом M эм >M ст и угловая скорость продолжает увеличиваться, двигатель уходит от точки А 2 . Возврата в точку А 2 не происходит и при отрицательном приращении скорости (точка А 2 ""). В этом случае скорость будет продолжать уменьшаться вплоть до остановки двигателя.
Следовательно в точке А 1 двигатель работает устойчиво, а в точке А 2 – неустойчиво. В общем случае, формальным признаком устойчивой работы двигателя является неравенство

(dM эм /dω 2) < (dM ст /dω 2) (2.30)

При моменте нагрузки, не зависящем от скорости, т.е. при M ст = cons t, это неравенство принимает вид

(dω 2 /dM эм) < 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 M ст = const .
Если воспользоваться формальным признаком устойчивости (2.31), то легко показать, что при M ст = const устойчивая работа двигателя обеспечивается только на участке от ω 1 до ω 2кр . Участок от ω 2кр до 0 является неустойчивым. Рабочий диапазон моментов и скоростей электроприводов с асинхронными двигателями выбирается в пределах устойчивой части механической характеристики двигателя. Точка номинальной нагрузки M ном располагается на рабочем участке таким образом, чтобы перегрузочная способность K m = М max /М ном = 1,7 –3,5 . При малом сопротивлении ротора R 2 критическая скорость ω 2кр =(0,8 – 0,9)ω 1 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 M ст.в до M ст.с приводит к уменьшению угловой скорости ротора от ω 2в до ω 2с , 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 ω 2 , полезного момента М 2 , КПД η , коэффициента мощности cos φ 1 (φ 1 - сдвиг по фазе между U 1 и I 1 ) и тока статора I 1 от полезной мощности Р2 при U 1 = U ном и f 1 = f ном (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. ω 2 =(1 - s)ω 1 , а S ном , как отмечалось, составляет единицы процентов. Соответственно, полезный момент М 2 = P 2 /ω 2 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 φ 10 – порядка 0,1 – 0,2. По мере роста нагрузки возрастает потребляемая активная электрическая мощность и cos φ 1 растет – его максимальное значение достигает 0,7 - 0,9. Ток сохраняет активно-индуктивный характер (φ 1 >0) и питающая сеть загружается реактивным током. КПД двигателя η= Р 2 /Р 1 , где Р 1 – активная электрическая мощность, потребляемая двигателем. При симметричном питании Р 1 = m 1 U 1 I 1 cos φ 1 , где U 1 , I 1 – фазные напряжение и ток. Зависимость КПД от мощности Р 2 = Р 1 -Δp э -Δp м -Δp мех 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.

К энергетическим характеристикам асинхронного двигателя относятся КПД двигателя(η) коэффициент мощности (cosφ) и скольжение S.
коэффициент полезного действия (η) вычисляется как отношение полезной мощности на валу двигателя Р2 кВт, к активной мощности, потребляемой двигателем из сети Р1 кВт;
η = Р2/ Р1 коэффициент мощности (cos(φ)вычисляется как отношение потребляемой активной мощности Р1 кВт, к полной мощности, потребляемой из сети S1 кВА;

По ГОСТ Р. 51677-2000 асинхронные двигатели общепромышленного назначения делятся на двигатели с нормальным КПД и двигатели с повышенным КПД. У асинхронных двигателей с повышенным КПД, суммарные потери не меньше, чем на 20%, чем у двигателей с нормальным КПД такой же мощности и частоты вращения. Коэффициенты мощностей (cosφ) асинхронных двигателей определены в ГОСТ.Р 51677. Значения КПД и cosφ конкретного асинхронного двигателя можно узнать по каталогу или по шильдику.

Причем КПД и cosφ асинхронного двигателя определяются и нагрузкой машины. В справочниках по электрическим машинам можно увидеть эти зависимости.

Линейный ток двигателя можно определить исходя из номинальной полезной мощность (Р2, кВт), номинального напряжения (UH, В), КПД (η) и cosφ.

Мощность, потребляемая из сети можно определить из формулы:

Скольжение вычисляется как разницу между номинальной n1 и синхронной nc частотой вращения двигателя, приведенной к номинальной скорости двигателя n1:

Номинальную частоту вращения ротора n1 или скольжение (S, %)можно определить по каталогу двигателя или прочесть на его шильдике.

Механические и пусковые характеристики асинхронного двигателя

Одной из основных характеристик асинхронного двигателя, является механическая характеристика. Механической характеристикой называют зависимость скорости вращения или скольжения от вращающего момента на валу двигателя. Она позволяет сравнить и согласовать механические свойства двигателя и рабочего механизма. Соответственно, зависимость скорости вращения или скольжения от тока статора называют электромеханической характеристикой.

Механическая характеристика асинхронного двигателя определяет зависимость момента на валу двигателя от скольжения, при сохранении неизменного напряжении и частоты питающей сети

Пусковые характеристики определяют величину пускового моментаMп, минимального момента Мmin, максимального или критического момента Мкр., пускового тока Iп или пусковой мощности Sп или их отношениями. Диаграмма момента, приведенного к номинальному моменту, от скольжения получила название относительной механической характеристики.

Номинальный вращающий момент можно определить по формуле:

P2н- номинальная мощность, кВт,
N1н- номинальная частота вращенияю, об/мин.

Пусковые характеристики асинхронного двигателя


Пусковые характеристики асинхронного двигателя регламентирует ГОСТ 28327 (МЭК 60034 — 12), а их значения приводятся в каталогах. Стандартные асинхронные двигатели могут иметь два исполнения по механическим характеристикам, которые определены в ГОСТ 28327 и МЭК 60034-12:
N – двигатели с нормальный моментом;
Н –двигатели с повышенным моментом.

Двигатели, изготовленные в исполнении N, рассчитывают на два последовательных пуска с остановкой между пусками из холодного состояния или на один пуск из нагретого состояния, после работы при номинальной нагрузке.

Момент сопротивления нагрузки при запуске прямо пропорционален квадрату частоты вращения и равняется номинальному моменту при номинальной частоте вращения, а значение внешнего момента инерции, γ , кг*м2, не должно превышать рассчитанного по формуле

где Р-номинальная мощность двигателя, кВт;
р — число пар полюсов;

При построении характеристики предполагается, что момент сопротивления нагрузки остается постоянным и равен номинальному моменту. Кроме того он не зависит от частоты вращения. Значение же внешнего момента инерции не превышаетт 50% величины, полученной по приведенной выше формуле.

Механические характеристики асинхронных мшин зависят в том числе и от типа ротора, его номинальной мощности, и от числа пар полюсов.

Ввиду того, что разность в значениях момента при соответствующих скольжениях у двигателей с различным числом пар полюсов невелика, и не превышает значения поля допуска на моменты. Различные механические характеристики для разных исполнений асинхронных двигателей показаны на рис

1 — исполнение N; 2 — исполнение Н; 3 — с повышенным скольжением. Механические характеристики группы двигателей, одной серии, или ее части обычно укладываются в некоторую зону. По средней линии этой зоны можно составить групповую механическую характеристику. Величина зоны групповой характеристики меньше поля допуска двигателей на моменты.

РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

"Рабочие характеристики асинхронного двигателя"

Введение

Асинхронная электрическая машина – это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Используется в основном как двигатель и как генератор. Статор имеет пазы, в которые укладывается одно- или многофазная (чаще трёхфазная) обмотка, подключаемая к сети переменного тока. Эта обмотка предназначена для создания подвижного магнитного поля, вращающегося кругового- у трёхфазных и пульсирующего или вращающегося эллиптического-у однофазных машин. Ротор – вращающаяся часть электрической машины, предназначен также для создания магнитного поля, которое, взаимодействуя с полем статора, ведёт к созданию электромагнитного вращающего момента, определяющего направление преобразования энергии. У генераторов этот момент носит тормозной характер, противодействуя вращающему моменту первичного двигателя, приводящего в движение ротор. У двигателей, наоборот, этот момент является движущим, преодолевающим сопротивление приводимого во вращение ротором механизма.

Асинхронный генератор-это асинхронная электрическая машина, работающая в генераторном режиме. Вспомогательный источник электрического тока небольшой мощности и тормозное устройство (в электроприводе).

Асинхронный электродвигатель – это асинхронная электрическая машина, работающая в двигательном режиме. Наиболее распространен трехфазный асинхронный электродвигатель (изобретен в 1889 М.О. Доливо-Добровольским). Асинхронные электродвигатели отличаются относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых нагрузках. Мощность от долей Вт до десятков МВт.

1. Асинхронный двигатель

1.1 Частота вращения магнитного поля и ротора

Пусть n 1 – частота вращения магнитного поля. Многофазная система переменного тока создаёт вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1=60f1/p, где f1 – частота тока, p – число пар полюсов, образуемых каждой фазой статорной обмотки.

n 2 – частота вращения ротора. Если ротор вращается с частотой не равной частоте вращения магнитного поля (n2≠n1), то такая частота называется асинхронной. В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте.

При работе частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля.

( n 2< n 1)

1.2 Принцип действия асинхронного двигателя

В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле создаётся трёхфазной системой при включении её в сеть переменного тока. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них э.д.с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием индуцируемой э.д.с. проходит ток. В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создаётся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля. Для изменения направления вращения ротора необходимо поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трёх проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

1.3 Устройство асинхронного двигателя

Сердечник статора набирается из стальных пластин, толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и крепят в станине двигателя. Станину устанавливают на фундаменте. В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки, которые соединяют между собой так, что образуется трёхфазная система. Для подключения обмоток статора к трёхфазной сети они могут быть соединены звездой или треугольником. Это даёт возможность включить двигатель в сеть с разным напряжением. Для более низких напряжений (220/127 В) обмотка статора соединяется треугольником, для более высоких (380/220 В) – звездой. Сердечник ротора также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которых укладывают проводники обмотки ротора. В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором. В короткозамкнутую обмотку нельзя включить сопротивление. В Фазной обмотке проводники соединены между собой, образуя трёхфазную систему. Обмотки трёх фаз соединены звездой. Обмотку ротора можно замкнуть на сопротивление или накоротко. Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и дешевле, однако двигатели с фазным ротором обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами (они используется при больших мощностях). Мощность асинхронных двигателей колеблется от нескольких десятков Ватт до 15000 кВт при напряжении обмотки статора до 6 кВ. Недостаток асинхронных двигателей – низкий коэффициент мощности.

1.4 Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

n 1 – частота вращения магнитного поля статора. n 2 – частота вращения ротора.

n 1 > n 2

Магнитное поле статора вращается в том же направлении, что и ротор и скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2

Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статорахарактеризуется скольжениемS = n s / n 1, => S = ( n 1 – n 2) / n 1

Если ротор неподвижен, тоn 2 =0, S = ( n 1 – n 2) / n 1, => S = n 1 / n 1 =1

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, то скольжение S= 0.

При холостом ходе, то есть при отсутствии нагрузки на валу двигателя скольжение ничтожно мало и его можно принять равным 0. Нагрузкой на валу ротора может служить, например резец токарного станка. Он создаёт тормозной момент. При равенстве вращающего и тормозного момента двигатель будет работать устойчиво. Если нагрузка на валу увеличилась, то тормозной момент станет больше вращающего и частота вращения ротора n 2 уменьшится. Согласно формулеS = ( n 1 – n 2) / n 1 скольжение увеличится. Так как магнитное поле статора скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2, то оно будет пересекать проводники ротора чаще, в них увеличится ток и двигательный вращающий момент, который вскоре станет равным тормозному. При уменьшении нагрузки, тормозной момент становится меньше вращающего, увеличивается n 2 и уменьшаетсяS . Уменьшается Э.Д.С и ток ротора и вращающий момент вновь равен тормозному. Магнитный поток в воздушном зазоре машины при любом изменении нагрузки остаётся примерно постоянным.

2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя есть зависимость

S – скольжения

n2 – частоты вращения ротора

М – развиваемого момента

I1-потребляемого тока

Р1-расходуемой мощности

СОSφ-коэффициента мощности

От полезной мощности Р2 на валу машины.

Эти характеристики снимаются при естественных условиях. Частота тока f1 и напряжение U1 остаются постоянными. Изменяется только нагрузка на валу двигателя.

При увеличении нагрузки на валу двигателя S увеличивается. При холостом ходе двигателя n2≈n1, и S≈0. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет от 3 до 5%.

При увеличении нагрузки на валу двигателя частота вращения n2 уменьшается. Однако, изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень незначительны и не превышают 5%. Поэтому, скоростная характеристика асинхронного двигателя является жёсткой. Кривая имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент М , развиваемый двигателем, уравновешен тормозным моментом на валу Мт и моментом М 0 , идущим на преодоление механических потерь, то есть М= Мт + М 0 2 2 + М 0 , где Р 2 – полезная мощность двигателя, Ω 2 -угловая скорость ротора. При холостом ходе М= М 0. С увеличением нагрузки вращающий момент также увеличивается, причём за счёт некоторого уменьшения частоты вращения ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем полезной мощности на валу.

Ток I1, потребляемый двигателем из сети неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе СОSφ-коэффициента мощности – мал. И ток имеет большую реактивную составляющую. При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, поэтому активная составляющая тока незначительно влияет на ток I1. При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение тока I1.

Графическая зависимость потребляемой двигателем мощности Р1 изображается почти прямой линией, незначительно отклоняющейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с возрастанием нагрузки.

Зависимость СОSφ-коэффициента мощности – от нагрузки на валу двигателя следующая. При холостом ходе СОSφ мал, порядка 0,2. Так как активная составляющая тока статора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу СОSφ возрастает, достигая наибольшего значения 0,8–0,9, в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение СОSφ, так как в следствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая КПДη имеет такой же вид как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе КПД=0. С увеличением нагрузки на валу двигателя КПД резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения КПД достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потери мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.

38) Механическая характеристика асинхронного двигателя.

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 n 1 (скольжение s ном = 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 M max двигатель развивает при некоторое скольжении s kp , составляющем 10-20%. Отношение M max /M ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М п /М ном - его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M max (до точки В). Если нагрузочный момент М вн превысит момент M max , 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 R 1п (кривая 2), R 2п (кривая 3) и R 3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R 2 и возрастает s кp . При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М п также зависит от R 2 . Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М п был равен наибольшему М max .

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 М п 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.

НА ВСЯКИЙ СЛУЧАЙ РАБОЧУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ!!!

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М 2 , тока статора I 1 коэффициента полезного действия? и cos? 1 , от полезной мощности Р 2 = Р mx при номинальных значениях напряжения U 1 и частоты f 1 (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 Р 2 изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М 2 пропорционален мощности Р 2 , он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I 1 , возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р 2 = 0 имеется некоторый ток холостого хода I 0 . 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 0,75U ном), 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.

РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

"Рабочие характеристики асинхронного двигателя"

Введение

Асинхронная электрическая машина – это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Используется в основном как двигатель и как генератор. Статор имеет пазы, в которые укладывается одно- или многофазная (чаще трёхфазная) обмотка, подключаемая к сети переменного тока. Эта обмотка предназначена для создания подвижного магнитного поля, вращающегося кругового- у трёхфазных и пульсирующего или вращающегося эллиптического-у однофазных машин. Ротор – вращающаяся часть электрической машины, предназначен также для создания магнитного поля, которое, взаимодействуя с полем статора, ведёт к созданию электромагнитного вращающего момента, определяющего направление преобразования энергии. У генераторов этот момент носит тормозной характер, противодействуя вращающему моменту первичного двигателя, приводящего в движение ротор. У двигателей, наоборот, этот момент является движущим, преодолевающим сопротивление приводимого во вращение ротором механизма.

Асинхронный генератор-это асинхронная электрическая машина, работающая в генераторном режиме. Вспомогательный источник электрического тока небольшой мощности и тормозное устройство (в электроприводе).

Асинхронный электродвигатель – это асинхронная электрическая машина, работающая в двигательном режиме. Наиболее распространен трехфазный асинхронный электродвигатель (изобретен в 1889 М.О. Доливо-Добровольским). Асинхронные электродвигатели отличаются относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых нагрузках. Мощность от долей Вт до десятков МВт.

1. Асинхронный двигатель

1.1 Частота вращения магнитного поля и ротора

Пусть n 1 – частота вращения магнитного поля. Многофазная система переменного тока создаёт вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1=60f1/p, где f1 – частота тока, p – число пар полюсов, образуемых каждой фазой статорной обмотки.

n 2 – частота вращения ротора. Если ротор вращается с частотой не равной частоте вращения магнитного поля (n2≠n1), то такая частота называется асинхронной. В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте.

При работе частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля.

( n 2< n 1)

1.2 Принцип действия асинхронного двигателя

В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле создаётся трёхфазной системой при включении её в сеть переменного тока. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них э.д.с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то в ней под действием индуцируемой э.д.с. проходит ток. В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создаётся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля. Для изменения направления вращения ротора необходимо поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трёх проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

1.3 Устройство асинхронного двигателя

Сердечник статора набирается из стальных пластин, толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и крепят в станине двигателя. Станину устанавливают на фундаменте. В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки, которые соединяют между собой так, что образуется трёхфазная система. Для подключения обмоток статора к трёхфазной сети они могут быть соединены звездой или треугольником. Это даёт возможность включить двигатель в сеть с разным напряжением. Для более низких напряжений (220/127 В) обмотка статора соединяется треугольником, для более высоких (380/220 В) – звездой. Сердечник ротора также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм. Пластины штампуют с пазами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которых укладывают проводники обмотки ротора. В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором. В короткозамкнутую обмотку нельзя включить сопротивление. В Фазной обмотке проводники соединены между собой, образуя трёхфазную систему. Обмотки трёх фаз соединены звездой. Обмотку ротора можно замкнуть на сопротивление или накоротко. Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и дешевле, однако двигатели с фазным ротором обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами (они используется при больших мощностях). Мощность асинхронных двигателей колеблется от нескольких десятков Ватт до 15000 кВт при напряжении обмотки статора до 6 кВ. Недостаток асинхронных двигателей – низкий коэффициент мощности.

1.4 Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

n 1 – частота вращения магнитного поля статора. n 2 – частота вращения ротора.

n 1 > n 2

Магнитное поле статора вращается в том же направлении, что и ротор и скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2

Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статорахарактеризуется скольжениемS = n s / n 1, => S = ( n 1 – n 2) / n 1

Если ротор неподвижен, тоn 2 =0, S = ( n 1 – n 2) / n 1, => S = n 1 / n 1 =1

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, то скольжение S= 0.

При холостом ходе, то есть при отсутствии нагрузки на валу двигателя скольжение ничтожно мало и его можно принять равным 0. Нагрузкой на валу ротора может служить, например резец токарного станка. Он создаёт тормозной момент. При равенстве вращающего и тормозного момента двигатель будет работать устойчиво. Если нагрузка на валу увеличилась, то тормозной момент станет больше вращающего и частота вращения ротора n 2 уменьшится. Согласно формулеS = ( n 1 – n 2) / n 1 скольжение увеличится. Так как магнитное поле статора скользит относительно ротора с частотой n s = n 1 – n 2, то оно будет пересекать проводники ротора чаще, в них увеличится ток и двигательный вращающий момент, который вскоре станет равным тормозному. При уменьшении нагрузки, тормозной момент становится меньше вращающего, увеличивается n 2 и уменьшаетсяS . Уменьшается Э.Д.С и ток ротора и вращающий момент вновь равен тормозному. Магнитный поток в воздушном зазоре машины при любом изменении нагрузки остаётся примерно постоянным.

2. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя есть зависимость

S – скольжения

n2 – частоты вращения ротора

М – развиваемого момента

I1-потребляемого тока

Р1-расходуемой мощности

СОSφ-коэффициента мощности

От полезной мощности Р2 на валу машины.

Эти характеристики снимаются при естественных условиях. Частота тока f1 и напряжение U1 остаются постоянными. Изменяется только нагрузка на валу двигателя.

При увеличении нагрузки на валу двигателя S увеличивается. При холостом ходе двигателя n2≈n1, и S≈0. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет от 3 до 5%.

При увеличении нагрузки на валу двигателя частота вращения n2 уменьшается. Однако, изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от 0 до номинальной очень незначительны и не превышают 5%. Поэтому, скоростная характеристика асинхронного двигателя является жёсткой. Кривая имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент М , развиваемый двигателем, уравновешен тормозным моментом на валу Мт и моментом М 0 , идущим на преодоление механических потерь, то есть М= Мт + М 0 2 2 + М 0 , где Р 2 – полезная мощность двигателя, Ω 2 -угловая скорость ротора. При холостом ходе М= М 0. С увеличением нагрузки вращающий момент также увеличивается, причём за счёт некоторого уменьшения частоты вращения ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем полезной мощности на валу.

Ток I1, потребляемый двигателем из сети неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе СОSφ-коэффициента мощности – мал. И ток имеет большую реактивную составляющую. При малых нагрузках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, поэтому активная составляющая тока незначительно влияет на ток I1. При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение тока I1.

Графическая зависимость потребляемой двигателем мощности Р1 изображается почти прямой линией, незначительно отклоняющейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с возрастанием нагрузки.

Зависимость СОSφ-коэффициента мощности – от нагрузки на валу двигателя следующая. При холостом ходе СОSφ мал, порядка 0,2. Так как активная составляющая тока статора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по сравнению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнитный поток. При увеличении нагрузки на валу СОSφ возрастает, достигая наибольшего значения 0,8–0,9, в результате увеличения активной составляющей тока статора. При очень больших нагрузках происходит некоторое уменьшение СОSφ, так как в следствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая КПДη имеет такой же вид как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе КПД=0. С увеличением нагрузки на валу двигателя КПД резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения КПД достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потери мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки.



top