Теория реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности асинхронных двигателей

Теория реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности асинхронных двигателей

Электродвигатели служат обязательным элементом любого электропривода, и поэтому их энергетические модели особенно важны. Будут рассматриваться главным образом модели повсеместно применяемых асинхронных двигателей, однако будут упоминаться и другие типы двигателей.

Построение энергетических моделей асинхронных двигателей основано на простейшей схеме замещения (см. рис. 1.9), каталожных (паспортных) данных двигателей и некоторых обобщенных характеристиках.

Рассмотрим случай питания двигателя номинальным напряжением стандартной частоты (другие режимы рассмотрены далее).

Мощность, потребляемая трехфазным асинхронным двигателем при соединении его обмоток в схему «треугольник», определяется по формуле


При соединении обмоток в схему «звезда»


Номинальная потребляемая мощность Р 1ном будет соответствовать подстановке в формулу (1.23) или (1.24) номинальных напряжения, тока и cosφ.

Мощность на валу Р определяется по формуле


номинальная мощность P ном соответствует номинальному моменту M ном и номинальной угловой скорости

Потери мощности ΔР в электродвигателе в установившемся режиме при питании от сети представляют обычно суммой двух составляющих: постоянных К и переменных V потерь:


Под постоянными потерями К подразумеваются потери мощности, не зависящие от нагрузки двигателя. К ним относят потери в магнитопроводе (стали), механические и добавочные потери, а также потери мощности на возбуждение двигателей.

К переменным относят потери, выделяемые в обмотках двигателей при протекании по ним токов, определяемых нагрузкой электропривода. Переменные потери мощности в двигателе могут быть в общем случае определены через электрические или механические переменные и параметры.

Для трехфазных асинхронных двигателей в соответствии со схемой замещения (см. рис. 1.9)

При использовании этой схемы замещения, в которой по R 1 протекает ток I 2" потери в статоре составляют


а полные, переменные потери

Для двигателя постоянного тока переменные потери мощности V определяются по формуле


где I, R - соответственно ток и сопротивление цепи якоря двигателя.

Для трехфазных синхронных двигателей


Переменные потери мощности, выделяющиеся в роторе асинхронного двигателя или в якоре двигателя постоянного тока, могут быть также определены как разность электромагнитной мощности (ЭМ) Рэм = Мω0 и мощности на валу (1.2):


где s - скольжение асинхронного двигателя или относительная скорость двигателя постоянного тока, s = (ω0 - ω)/ ω0.

Переменные потери в статоре асинхронного двигателя в соответствии с формулой (1.28) составит


а полные переменные потери в асинхронном двигателе будут равны

Потери мощности при работе двигателя в номинальном режиме определяются по паспортным данным двигателя с помощью номинального КПД ηном и номинальной мощности двигателя P ном:


или как разность между потребляемой электрической мощностью Р1 ном и номинальной мощностью двигателя Р ном:

Постоянные потери мощности находятся по формуле


где V ном - переменные потери в двигателе в номинальном режиме.


Рис. 1.13. Распределение потерь в асинхронном электродвигателе с номинальным КПД 85%

На рис. 1.13 представлено ориентировочное распределение потерь в асинхронном электродвигателе с КПД 85 % в зависимости от нагрузки. Потери в меди составляют обычно большую часть общих потерь, и в дальнейшем на них будет обращено основное внимание.
За время tц работы двигателя с переменной нагрузкой AP(t) полные потери энергии, обусловленные потерями мощности К и Vy определяются соотношением (1.5); при работе двигателя с циклически изменяющейся нагрузкой полные потери энергии за весь цикл в соответствии с формулой (1.5) составят



где tц - время цикла, - число участков цикла; Δ Pi, ti - соответственно потери мощности и время работы на i -м участке цикла.

Потери энергии в переходных режимах при пуске, реверсе, торможении, изменениях скорости и нагрузки существенно превышают номинальный уровень и могут заметно влиять на энергетические показатели электропривода, а также вызывают дополнительный нагрев и тем самым влияют на срок службы двигателя.

Особенно большое значение определение потерь электроэнергии в переходных процессах имеет для электроприводов, у которых динамический режим является основным. К ним относятся, например, электроприводы подъемных кранов, строгальных станков, лифтов и т.д.

В общем случае потери энергии за время переходного процесса (ПП) tпп могут быть определены с помощью следующего выражения:


где ΔWk, ΔWv - потери энергии, обусловленные соответственно постоянными и переменными потерями мощности.

Потери энергии ΔWk находятся как ΔWk = Ktпп и невелики по сравнению с ΔWv .

Потери энергии ΔWv для асинхронного двигателя могут быть найдены через ток и сопротивление, однако в большинстве случаев это оказывается затруднительным из-за того, что необходимо иметь зависимость тока двигателя в переходном процессе от времени i(t) , а также располагать данными об активном сопротивлении цепей двигателя R .

Более удобные расчетные соотношения для определения потерь в переходных режимах получаются в том случае, когда переменные потери мощности выражаются механические величины.
Потери энергии при работе электропривода без нагрузки (M с = 0). Потери мощности в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного двигателя определяются одной формулой (1-32), и поэтому потери энергии в этих частях двигателей в переходных режимах вхолостую (M с = 0) с учетом формулы (1.22) определяются следующим выражением:


где JΣ, ω0 - соответственно момент инерции привода и скорость идеального холостого хода двигателя; sнач, sкон - соответственно начальное и конечное скольжение двигателя.

Потери энергии в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного двигателя при их пуске, реверсе и торможении вхолостую показаны в табл. 1.2.

Полные потери энергии в асинхронном двигателе при переходных процессах вхолостую в соответствии с выражением (1.12) составят

Таблица 1.2
Потери энергии в динамических режимах

Потери энергии при работе электропривода с нагрузкой (Mс ≠ 0).
Для приближенного учета нагрузки двигателей принимают, что момент двигателя в переходных процессах не изменяется и равен некоторому среднему моменту Мсру в результате чего имеем:


где ΔW , ΔW0 - соответственно потери энергии пол нагрузкой и без нагрузки двигателя; Mср - средний, неизменный за время переходного процесса момент двигателя (знак «-» соответствует пуску, а знак «+» - торможению двигателя).

Приведенные формулы для определения потерь могут быть использованы для расчета КПД двигателя по формулам (1.8) и (1.10).

На рис. 1.14, а показаны зависимости номинального КПД асинхронных двигателей серий АИР и 5А от номинальной мощности P ном. С ростом номинальной мощности номинальный КПД растет, что объясняется уменьшением потерь мощности относительно полезной мощности двигателя.

КПД работающего двигателя зависит от развиваемой им полезной механической мощности на валу. На рис. 1.14, б показаны типовые зависимости КПД двигателей от коэффициента нагрузки К н = P с/P ном Для двух значений номинального КПД, где Р с - механическая мощность на валу. При малых нагрузках КПД двигателя небольшой, по мере увеличения нагрузки он растет, достигая максимального значения ηmax при мощности, равной примерно 0,7...0,8 номинальной.

Другая энергетическая характеристика асинхронного двигателя - коэффициент мощности cosφ.



Рис. 1.14. Зависимости номинального КПД от номинальной мощности (я) и КПД от коэффициента нагрузки двигателя (б)

если электропривод работает в некотором цикле при различных нагрузках или скоростях, то он как потребитель реактивной энергии характеризуется средневзвешенным или цикловым коэффициентом мощности, который определяется отношением потребленной активной энергии за цикл Wa к полной или кажущейся энергии Wп в соответствии с формулой



где Si - полная, или кажущаяся, мощность,


При работе электропривода в установившемся режиме коэффициент мощности определится по формуле


Входящие в формулы (1.43) и (1.44) активная Р а и реактивная Q мощности применительно к трехфазному асинхронному двигателю могут быть рассчитаны по следующим формулам:


где I 1, I 2", I μ - соответственно токи статора, приведенный ток ротора и ток намагничивания; X 1, X 2", X μ - соответственно индуктивное сопротивление статора, приведенные сопротивления ротора и контура намагничивания.

Для П-образной схемы замещения двигателя при R μ ≈ 0 I μ = U Ф/X μ и формулу (1.46) можно записать в виде


где U Ф - напряжение питания двигателя; Xк.з. - индуктивное сопротивление короткого замыкания, X к.з. = X 1 + X 2"

Так как 3 I 2"2X к.з.= M ω0sX к.з./R 2", из формулы (1.47) имеем


На рис. 1.15, а приведены зависимости номинального коэффициента мощности для асинхронных двигателей различных номинальных мощностей Р ном и различных частот вращения холостого хода n0. Характерным для них является более высокое значение cosφном для двигателей больших номинальных мощностей и скоростей вращения.



Рис. 1.15. Зависимости номинального коэффициента мощности от номинальной мощности (а) и коэффициента мощности от коэффициента нагрузки двигателя (6)

Для большинства асинхронных двигателей cosφном - 0,8...0,9. Для этих значений Q= (0,5...0,75)P1, т.е. асинхронный двигатель на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети 0,5...0,75 кВАр реактивной мощности. Чем ниже cosφ, тем большую реактивную мощность потребляет асинхронный двигатель из системы электроснабжения, загружая ее элементы дополнительным током и вызывая в ней соответствующие потери.

Коэффициент мощности асинхронного двигателя существенно зависит от его нагрузки. При холостом ходе асинхронного двигателя коэффициент мощности невелик, так как относительно велика доля реактивной мощности по сравнению с активной. По мере увеличения нагрузки двигателя возрастает и cosφ, достигая своего максимального значения примерно в области номинальной нагрузки двигателя. Зависимость cosφ от коэффициента механической нагрузки К н = Р с/Р ном Для асинхронных двигателей серии 4А при различных уровнях номинальных cosφном приведена на рис. 1.15, б.

Для расчета входящих в приведенные формулы тока намагничивания I μ и приведенного номинального тока ротора I 2" асинхронного двигателя могут быть использованы следующие приближенные формулы:



где λм - кратность максимального момента асинхронного двигателя, λм = M к / M ном.
При λм > 1,7 формула (1.50) может быть упрошена и примет следующий вид:

При этом погрешность получаемого результата по сравнению с выражением (1.50) будет менее 5%.

Определение параметров цепей двигателей и потерь мощности в них по паспортным данным покажем на примере асинхронного двигателя.

Основное допущение при расчетах состоит в том, что электромагнитный момент двигателя принимается равным моменту на валу двигателя. Тем самым не учитываются механические потери в двигателе, которые при необходимости могут быть в дальнейшем отнесены к нагрузке двигателя. Отметим, что это допущение может быть сделано для двигателей мощностью более 10 кВт, в то время как для двигателей небольшой мощности оно приводит к заметным ошибкам.
Пример 1.1 . Рассчитать параметры схемы замещения и потери мощности в номинальном режиме двигателя типа RA180L6, имеющего следующие номинальные паспортные данные: Рном = 15 кВт; nном = 970 об/мин; I1ном = 31 A; cosφном = 0,82; ηном = 89 %; λм = М к/М ном = 3; р = 3; f 1ном = 50 Гц; U1 л.ном = 380 В.

1. Определяем номинальные угловую скорость, момент, скольжение и скорость идеального холостого хода:



2. По формуле (1.51) определяем номинальный приведенный ток ротора:


3. По формуле (1.49) находим ток намагничивания:



4. Используя выражение для потерь мощности в роторе V 2 = 3I 2" R 2" = M ω0s, находим приведенное активное сопротивление ротора.

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер.

В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой:

  1. I а - активный ток
  2. I ри - реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

  1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
  2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
  3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

Cos (φ) = P 1гарм / A 1гарм

  • P 1гарм - активная мощность первой гармоники 50 Гц
  • A 1гарм - полная мощность первой гармоники 50 Гц

A = √P² + Q²

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

  1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);
  2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В);
  3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности , необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности . Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности . Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности . К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки , преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Действительно, для простейшей схемы:



  • Р – активная мощность в центре питания,
  • Рн – активная мощность на шинах потребителя,
  • R – активное сопротивление распределительной сети,
  • Q – реактивная мощность в центре питания,
  • – реактивная мощность на шинах потребителя.
  • U – напряжение в центре питания,
  • – напряжение на шинах потребителя,
  • Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р = Рн + (Рн² + Qн²) * R / Uн²;

Q = Qн + (Рн² + Qн²) * X / Uн².

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

  1. В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:

    δР = (Рн² + Qн²) * R ,

    Часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

  2. Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:

    Uн = U – (P * R + Q * X) / U.

  3. Увеличивается загрузка распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности применяется:

  • по условию баланса реактивной мощности;
  • как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;
  • для регулирования напряжения.

Из-за малого потребления активной мощности коэффициент мощности двигателя крайне низкий при холостом ходе или при малой нагрузке. Реактивный ток двигателя остается практически постоянным при всех нагрузках, так что на ряд ненагруженных двигателей приходится потребление реактивной мощности, которое лишь негативно сказывается на установке по причинам, описанным в предыдущих разделах.

Поэтому два хороших правила состоят в том, что ненагруженные двигатели следует отключать, а номинальные мощности двигателей не должны завышаться (поскольку это снизит их загрузку).

Соединение

КБ должна подключаться непосредственно к зажимам двигателя.

Специальные двигатели

Влияние на уставки защиты

После применения компенсации для двигателя ток блока «двигатель-конденсатор» станет меньше, чем до компенсации при том же режиме нагрузки двигателя. Это вызвано тем, что значительная часть реактивной составляющей тока двигателя подается от конденсатора, как показано на рис. L23 .

Если максимальная токовая защита двигателя расположена до соединения двигателя и конденсатора (это всегда так в случае подсоединения конденсаторов к зажимам), уставки реле защиты должны уменьшаться на отношение:

cos φ до компенсации/cos φ после компенсации

Для двигателей с компенсацией в соответствии со значениями квар, показанными на рис. L24 (максимальные значения, рекомендуемые для предотвращения самовозбуждения стандартных асинхронных двигателей, как обсуждается в подразделе Методы предотвращения самовозбуждения асинхронного двигателя), величины указанного выше отношения приведены для различных скоростей на рис. L25 .

Рис. L23: До компенсации трансформатор пропускает всю реактивную мощность, после компенсации конденсатор подает большую часть реактивной мощности

Трехфазные двигатели, 230/400 В
Номинальная мощность Устанавливаемая мощность (квар)
Скорость вращения (об/мин)
кВт л.с. 3000 1500 1000 750
22 30 6 8 9 10
30 40 7,5 10 11 12,5
37 50 9 11 12,5 16
45 60 11 13 14 17
55 75 13 17 18 21
75 100 17 22 25 28
90 125 20 25 27 30
110 150 24 29 33 37
132 180 31 36 38 43
160 218 35 41 44 52
200 274 43 47 53 61
250 340 52 57 63 71
280 380 57 63 70 79
355 482 67 76 86 98
400 544 78 82 97 106
450 610 87 93 107 117

Рис. L24: Максимальное значение квар индивидуальной компенсации реактивной мощности без риска самовозбуждения двигателя

Двигатель с высокоинерционной нагрузкой будет продолжать вращаться (если специально не затормаживается) после отключения его питания.

«Магнитная инерция» цепи ротора означает создание ЭДС в обмотке статора на короткий период времени после отключения, которая уменьшиться до нуля через 1 или 2 периода в случае двигателя без компенсации.

Однако, подключенные конденсаторы создают трехфазную реактивную нагрузку для такой затухающей ЭДС, которая вызывает емкостные токи в обмотке статора. Такие токи в статоре создают вращающееся магнитное поле, которое действует точно по той же оси и в том же направлении, что и затухающее электромагнитное поле.

Как следствие, поток ротора увеличивается, токи статора увеличиваются, и напряжение на зажимах двигателя повышается иногда до опасно высокого уровня. Это явление известно как самовозбуждение и является одной из причин того, почему генераторы переменного тока, как правило, не работают при опережающих коэффициентах мощности, т.е. имеется тенденция к спонтанному (и неконтролируемому) самовозбуждению.

Примечания:

1. Характеристики двигателя, приводимого в движение инерцией нагрузки, не являются строго идентичными его характеристикам холостого хода. Однако, данное предположение является достаточно точным с практической точки зрения.

2. В двигателе, действующем в качестве генератора, циркулирующие токи являются в основном реактивными, так что эффект торможения (замедления) двигателя вызван главным образом только нагрузкой, представленной его охлаждающим вентилятором.

3. Ток (угол отставания почти 90°), потребляемый от источника питания ненагруженным двигателем в нормальных условиях, и ток (угол опережения почти 90°), подаваемый на конденсаторы двигателем, выступающим в качестве генератора, имеют одинаковое фазовое соотношение с напряжением на зажимах. Именно поэтому две характеристики могут налагаться на один график.

Для предотвращения самовозбуждения, как описывается выше, номинальная мощность (квар) блока конденсаторов должна ограничиваться следующим максимальным значением:

Где Io - ток холостого хода двигателя и Un - межфазное номинальное напряжение двигателя (кВ). На рис. L24 приводятся значения Qc, соответствующие данному критерию.

Пример:

Трехфазный двигатель, 75 кВт, 3000 об./мин, 400 В, может иметь блок конденсаторов не выше 17 квар согласно рис. L24. Табличные значения, как правило, слишком малы для соответствующей компенсации двигателя до нормально требуемого уровня cos φ. Однако, дополнительная компенсация может осуществляться, например, с помощью КБ централизованной компенсации, установленной на шинах ТП.

Высокоинерционные двигатели и/или нагрузки

В любой установке с высокоинерционными нагрузками, приводимыми в действие двигателями, выключатели или контакторы, управляющие такими двигателями, должны быстро отключаться в случае полной потери электропитания.

Если не принять такой меры предосторожности, велика вероятность возникновения крайне высоких напряжений (из-за самовозбуждения), поскольку все другие КБ работают в сети параллельно с конденсаторами высокоинерционных двигателей.

Поэтому схема защиты таких двигателей должна содержать реле отключения по максимальному напряжению вместе с реле контроля обратной мощности (двигатель подает питание на остальное оборудование до рассеяния полученной инерциальной энергии).

Если мощность конденсаторов индивидуальной компенсации высокоинерционного двигателя, больше, чем рекомендованная на рис. L24, они должны управляться отдельно с помощью выключателя или контактора, который осуществляет отключение вместе с главным выключателем или контактором двигателя, как показано на рис. L26.

Включение главного контактора осуществляется после включения конденсаторов.

Рис. L26: Подсоединение блока конденсаторов к двигателю

асинхронного двигателя.

1. Энергетическая диаграмма и коэффициент полезного действия

асинхронного двигателя.

Рассмотрим асинхронный двигатель, на валу которого имеется нагрузка и обмотка статора которого потребляет из сети электроэнергию мощностью .


На энергетической диаграмме представлено распределение энергии при работе асинхронного двигателя.

Часть мощности теряется в статоре на потери в проводниках обмотки

и потери на гистерезис и вихревые токи в стали сердечника P c . ставшаяся часть электрической мощности посредством вращающегося

магнитного потока передается со статора на ротор:

электромагнитная мощность

Электромагнитная мощность Р эм определяется током и ЭДС ротора. Часть мощности Р эм теряется в проводниках обмотки Р э . Оставшаяся часть мощности преобразуется в механическую мощность Р мех , под действием которой ротор асинхронного двигателя вращается. Часть механической мощности Р мех теряется на трение в подшипниках, на вентиляцию и т.д. и являются механическими потерями Р мх . Другая часть мощности теряется из-за рассеяния магнитного поля в зубьях статора и ротора и является добавочными потерями Р доб .

Таким образом, полезная механическая мощность на валу двигателя

Эта мощность указывается в паспортных данных асинхронного двигателя. Коэффициент полезного действия (кпд) двигателя определяется


Двигатели малой и средней мощности имеют номинальный кпд в пределах 0,7 - 0,9, двигатели большой мощности имеют кпд 0,94 - 0,96.

2. Коэффициент мощности асинхронного двигателя.

Наряду с расходом активной энергии на валу двигателя и в самой машине часть энергии, реактивной, периодически возвращается в сеть. Эта часть энергии характеризуется реактивной мощностью Q 1 . Коэффициент мощности двигателя равен


Он зависит от момента нагрузки на валу двигателя. При холостом ходе коэффициент мощности

cos = 0,08 - 0,15. С возрастанием нагрузки активная мощность увеличивается, возрастает и cos до 0,75 - 0,95. С дальнейшим возрастанием нагрузки существенно увеличиваются токи статора и ротора, и возрастает реактивная мощность рассеяния. Cos постепенно уменьшается.

3. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Механическая характеристика.

Зависимость скорости вращения ротора двигателя от момента, развиваемого им, называется механической характеристикой двигателя

n = f (M эм ) , = f (M эм ) ,

где М эм - электромагнитный момент, действующий на ротор.

Механической характеристикой является также зависимость S= f(М эм ).

В установившемся режиме M эм = М , где М - момент на валу.

Известно, что момент можно представить:



Мощность Рэ 2 можно выразить через ток I 2 , который легко определяется из схемы замещения. После подстановки получим подобной трансформатору



Из формулы видно, что с возрастанием скольжения S момент вначале возрастает и далее уменьшается. Максимальное значение момента соответствует критическому скольжению S кр . Приближенно, при

можно считать:


где

- реактивное сопротивление потока рассеяния.

Для практических целей удобно пользоваться другой формулой момента:



где М max - максимальное значение момента.

Из формулы видно, что с изменением изменяется ход механической характеристики. Она, например, смещается вниз с увеличением .


Зависимости n, S, M, cos и = f(P 2 ) при U 1 = U ном = const, f = const ,представленные на рис. , являются рабочими характеристиками асинхронного двигателя.

К рабочим характеристикам относят также зависимость I 1 = f(P 2). Зависимость n=f(P 2) или S=f(P 2) называется скоростной характеристикой. На холостом ходу, т.е. при Р 2 =0 , ротор вращается со скоростью

. С увеличением мощности нагрузки


скорость вращения n уменьшается, а скольжение S растет.

Зависимость M = f(P) называется моментной характеристикой. При отсутствии нагрузки к валу двигателя приложен небольшой момент на преодоление сил трения. Поэтому при Р 2 = 0 М = М тр . С возрастанием Р кпд вначале возрастает, а в дальнейшем уменьшается, так как при больших токах статора и ротора мощность электрических потерь, пропорциональная квадрату токов, возрастает быстрее мощности P 2 .

Так как при холостом ходе I 1 = I 0 и его основной составляющей является намагничивающая составляющая, совпадающая по фазе с магнитным потоком, cos асинхронных двигателей довольно низок - примерно 0,2. С увеличением нагрузки ток статора все в большей степени определяется активной составляющей тока ротора и cos увеличивается. При больших мощностях увеличивается мощность рассеяния.

4. Пуск и регулирование скорости вращения.

В момент пуска частота вращения n = 0, а скольжение S = 1. Поэтому имеет место бросок пускового тока, который в 5-6 раз больше номинального. Для снижения пускового тока используют пусковые реостаты в двигателях с фазным ротором или понижают на период пуска напряжение, подводимое к статору. Пуск с помощью пускового реостата осуществляют только для двигателей с фазным ротором. К обмотке каждой фазы ротора через контактные кольца подключен пусковой реостат.


При включении пускового реостата, имеющего максимальное сопротивление, двигатель трогается с места при М п = М max (характеристика I на рис.). После того, как ротор приходит во вращение, его момент начинает уменьшаться (точка 1"). Сопротивление пускового реостата уменьшают, что приводит к переходу рабочей точки на новую характеристику (точка 2) Таким образом, с вводом реостата рабочая точка механической характеристики перемещается по ломаной 1 - 1" - 2 - 2" - 3 - 3" - . . . . и т. д. пока не выйдет по естественной ветви при сопротивлении реостата, равном нулю, в номинальный режим (точка А, рис.). Пуск при пониженном напряжении применяют для двигателей с короткозамкнутым ротором. Так как вращающий момент пропорционален квадрату напряжения, такой способ пуска применим только при отсутствии нагрузки на валу двигателя. В нормальном режиме обмотки статора двигателя соединены треугольником. При пуске обмотки соединяют звездой, что приводит к уменьшению напряжения на обмотке в

раз. Во столько же раз уменьшается и фазный ток в обмотке статора. Так как при соединении звездой I л = I ф , а при

соединении треугольником он больше фазного в

раз, то при переключении обмоток двигателя на звезду линейный ток уменьшается в три раза. После разгона двигателя обмотку статора переключают на треугольник. Скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать следующими способами:

1 - включение добавочных сопротивлений в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором).

С увеличением сопротивления скорость вращения ротора уменьшается.

Достоинства: возможность плавного регулирования скорости.

Недостатки: а) дополнительные потери в роторе,

б) уменьшается жесткость механической характеристики,

т.е. увеличивается ее наклон на рабочем участке.

2 - изменением числа пар полюсов (переключением статорных обмоток)

Этим добиваются изменения скорости вращения магнитного поля.

Достоинства: не вызывает дополнительных потерь, т.е. не снижает кпд двигателя.

Недостатки: а) ступенчатое изменение скорости,

б) увеличение веса и габаритов двигателя.

3 - регулирование частоты питающего напряжения.

Этим способом достигается возможность плавного регулирования скорости двигателя и в то же время не сопровождается дополнительными потерями, т.е. соединяет в себе достоинства 1-го и 2-го методов. Недостатки: применение сложного и дорогостоящего оборудования. Данный метод наиболее перспективный. Обычно используется в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором.

§ 4.6. РАБОТА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ ДВИГАТЕЛЯ

Определение мощностей, потерь и к. п. д. по круговой диаграмме. Измеряя отдельные отрезки круговой диаграммы (рис. 4.38), можно, с учетом принятых масштабов, определить мощность и потери асинхронного двигателя:

1. К обмотке статора подводится из сети первичная электрическая мощность

2. Потери в намагничивающем контуре складываются из потерь Р с1 в стали статора и потерь Р э0 в первичной обмотке от тока I 0 . Сумма этих потерь определяется активной составляющей тока I 0 .

3. При нагрузке возникают потери в обмотке статора, вызванные составляющей приведенного тока ротора

4. В теории переменных токов доказывается, что линия электромагнитной мощности проходит через две точки, в которых электромагнитная мощность равняется нулю. Такими точками является точка синхронного хода H 0 и точка Т, соответствующая бесконечной



Рис. 4.38. Определение мощностей и моментов по круговой диаграмме

скорости вращения. Следовательно, Н 0 Т есть линия электромагнитной мощности. Поэтому электромагнитная мощность ротора, передаваемая ему от статора



где Р э2 - электрические потери в обмотке ротора;

Выражение электромагнитной мощности можно представать в следующем виде:

где Р м - мощность преобразуемая из электрической в механическую.

Линия, соединяющая точку синхронного хода Н 0 с точкой К. короткого замыкания, называется линией полной механической мощности.)



7. Часть полезной механической мощности тратится на покрытие механических Р мех и добавочных Р д потерь. Для их определения надо соединить прямой линией точки короткого замыкания К и холостого хода H , в которых полезная мощность двигателя равна нулю. Линия НК называется линией полезной мощности.



Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

Значение к. п. д., определенное из этого выражения, не является достаточно точным, так как круговая диаграмма учитывает не все добавочные потери. Вообще графическое определение к. п. д. по круговой диаграмме является принципиально неточным, так как рабочие точки круговой диаграммы расположены на небольшой дуге.

Энергетическая д иаграмма. Проследим уменьшение мощности асинхронного двигателя при последовательном прохождении точек абвг (см. рис. 4.38). Отложим от прямой АА (рис. 4.39) расстоя-

Рис. 4.39. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя



Диаграмма рис. 4.39 является энергетической диаграммой асинхронного двигателя. Анализируя ее, можно наглядно представить баланс мощностей двигателя.

Электромагнитный момент. Поток, передающий электромагнитную мощность Р эм со статора на ротор, вращается с угловой частотой

С учетом формул (4.61), (4.41) и (4.38, а) электромагнитный момент равен



Из выражения (4.64) следует, что электромагнитный момент пропорционален потоку машины и активной составляющей тока ротора.

Найдем уравнение электромагнитного момента, выраженного через параметры асинхронного двигателя. Пользуясь (4.62), можно написать


Подставляя (4.66) в (4.65), получаем



Согласно (4.67) электромагнитный момент асинхронной машины является функцией скольжения s (рис. 4.40). При данном значении скольжения электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения U 1 сети.

Подставляя в (4.67) s=1, находим выражение момента при неподвижном роторе



Определение скольжения, моментов и коэффициента мощности по круговой диаграмме. Для определения номинального момента необходимо отыскать на круговой диаграмме точку номинального режима. Для этого перпендикулярно оси абсцисс Оα (см. рис. 4.38) в произвольной точке Р на линии Н 0 К откладывают отрезок

Параллельно линии Н 0 К из точки Р" проводят прямую Р"А до пересечения с окружностью токов. Точка пересечения А яв-

ляется точкой номинального режима. Номинальный электромагнитный момент

Для определения максимального момента параллельно линии электромагнитной мощности Н 0 Т проводят в точке М касательную к окружности токов. Перпендикулярно к оси абсцисс из точки М проводят прямую Mm до пересечения с линией электромагнитной мощности Н 0 Т. Максимальный момент

В начальный момент пуска скольжение s=1. Поэтому для определения пускового момента нужно из точки К привести перпендикулярно к оси абсцисс прямую KK 1 до пересечения с линией электромагнитной мощности. Начальный момент

Начальный момент в относительных единицах

Однако для определения начального момента двигателя с ко-роткозамкнутым ротором круговой диаграммой обычно не пользуются, так как она не учитывает насыщения и вытеснения тока при пуске.



(см. рис. 4.34, в ) длины вектора тока, отсекаемого этой полуокружностью, к диаметру равно коэффициенту мощности

Использование круговой диаграммы для построения рабочих характеристик. Рабочий процесс двигателя изображается на круговой диаграмме небольшим отрезком окружности, соответствующим скольжению от нуля до номинального. Поэтому данные для рабочего режима из круговой диаграммы не могут быть найдены с достаточ-

Рис. 4.41. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рис. 4.42. Моментные характеристики при разных значениях активного сопротивления r 2 в цепи ротора

ной точностью. Обычно по круговой диаграмме определяют для заданной мощности токи I 1 , I" 2 и cosφ, а все остальные величины рассчитывают, пользуясь этими данными.

Круговая диаграмма может служить для ориентировочного расчета моментальной характеристики М = f (s) двигателя с фазным ротором в диапазоне скольжений s от 0 до 1. С помощью круговой диаграммы определяют приблизительное значение максимального момента M макс и критического скольжения s k . При приближенном анализе для построения характеристик двигателя в диапазоне от холостого хода до номинального режима по круговой диаграмме определяют обычно следующие величины: полезный момент М 2 , ток статора I 1 , скольжение s, к. п. д. η и коэффициент мощности соsφ. Зависимость этих величин от полезной мощности Р 2 называют рабочими характеристиками. Рабочие характеристики асинхронных двигателей могут быть найдены из опыта, из расчета и по круговой диаграмме. В последнем случае задаются несколькими значениями мощности Р 2 (от нуля до номинальной Р н) и определяют соответствующую точку круговой диаграммы, пользуясь выражением (4.71), в которое вместо номинального значения мощ-



Из (4.72) видно, что скольжение пропорционально потерям в обмотке ротора. При синхронном ходе потери равны нулю. По мере увеличения нагрузки растут потери, а следовательно, согласно выражению (4.72), и скольжение s. На рис. 4.41 (кривая 5) видно, что при Р 2 =0 скольжение s принято равным нулю, в действительности при холостом ходе имеется некоторое, весьма незначительное скольжение.

Если бы скорость вращения двигателя была неизменной, то полезный момент М 2 изменялся бы пропорционально мощности Р 2 . Учитывая формулу (4.48), можно записать



Из этого выражения видно, что поскольку скольжение при увеличении Р 2 растет, а пропорциональная зависимость нарушается, момент возрастает несколько быстрее (кривая 3 на рис. 4.41).

При синхронном ходе ток статора I 1 равен I С . С увеличением тока ротора зависимость тока I 1 от Р 2 по мере нагрузки двигателя приближается к линейной (кривая 2 на рис. 4.41).

Намагничивающий ток, потребляемый двигателем из сети, не зависит от нагрузки, а активная составляющая тока I 1 с ростом нагрузки увеличивается. Поэтому при малых нагрузках коэффициент мощности низок и растет с увеличением нагрузки. Отсюда ясно, что для обеспечения высокого коэффициента мощности сети асинхронные двигатели должны работать при нагрузке, близкой к номинальной. При больших скольжениях коэффициент мощности может несколько уменьшаться (кривая 4 ) за счет роста индуктивного сопротивления ротора x 2s .

Пуск двигателя с фазным ротором. При увеличении активного сопротивления r 2 ротора моментные характеристики, согласно (4.67), меняют свой вид (рис. 4.42). Максимальный момент остается неизменным, но смещается в сторону больших скольжений.

Если считать, что с 1 = 1, то, подставляя в выражение (4.69) s k = 1, найдем, что максимальный момент будет пусковым при r" 2 = х k . Для двигателей общепромышленного применения это равенство имеет место в случае, если в цепь обмотки ротора ввести добавочное активное сопротивление r д.

Для возможности введения в цепь ротора активного сопротивления двигатели выполняют с фазным ротором. Обмотка фазного ротора имеет такое же число фаз, как и статорная (обычно m 2 = 3). Начала фаз обмотки ротора присоединяют к контактным кольцам, которые при пуске через щеточные контакты присоединяют к реостату, а при работе замыкают накоротко. В двигателях малых и средних мощностей применяются проволочные пусковые реостаты с воздушным или масляным охлаждением, в двигателях больших мощностей - водяные.



При введении в цепь ротора активного сопротивления пусковой ток уменьшается, а пусковой момент увеличивается. Физически это объясняется тем, что хотя при введении активного сопротивления ток ротора уменьшается, его активная составляющая I 2 cosψ 2 увеличивается, поэтому, согласно формуле (4.64), увеличивается и момент. Таким образом, при пуске двигателя с фазным ротором обеспечивается высокий момент при сравнительно небольшом токе.

Способы пуска короткозамкнутых двигателей. Современные мощные электрические сети обычно допускают прямое включение короткозамкнутых двигателей. Пусковые свойства асинхронных двигателей характеризуют кратность начального пускового момента



как двигатель развернется, обмотку статора быстрым переключением рубильника Р слева нанраво (рис. 4.43) соединяют в треугольник.

В некоторых случаях для уменьшения пускового тока последовательно со статором на время пуска включают реактор или автотрансформатор, при этом уменьшение пускового тока приблизительно пропорционально уменьшению напряжения, а уменьшение пускового момента пропорционально квадрату напряжения.

Рис. 4.43. Схема соединения обмотки статора, допускающая пуск двигателя с переключением со звезды на треугольник

Рис. 4.44. Вытеснение тока в проводнике, находящемся в глубоком пазу: а - картина поля; б - распределение плотности тока по высоте проводника

Двигатель с глубоким пазом. В короткозамкнутом асинхронном двигателе активное сопротивление стержней ротора при пуске может быть увеличено за счет вытеснения тока, которое усиливается в случае применения глубокого паза. Вытеснение тока к поверхности ротора происходит из-за неодинакового индуктивного сопротивления рассеяния по высоте паза. На рис. 4.44, а линиями магнитной индукции показаны пути потоков пазового рассеяния проводника. Все эти потоки проходят под дном паза по стальному пакету (поскольку его магнитное сопротивление мало). Потоки рассеяния пересекают паз на разной высоте, вследствие чего их сцепление с проводником обмотки, определяющее индуктивное сопротивление, меняется по высоте паза; на дне индуктивное сопротивление наибольшее, в верхней части паза наименьшее. Поэтому большая часть тока проходит по верхней части паза, имеющей меньшее полное сопротивление, в результате чего плотность тока Δ по высоте паза различна (рис. 4.44, б ). Следствием вытеснения тока является увеличение активного сопротивления проводника, что приводит к увеличению пускового момента. Интенсивность вытеснения тока зависит от отношения ширину к высоте паза и размеров его про-

рези. Одновременно с вытеснением тока происходит насыщение усика зубца у прорези паза.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора пропорционально скольжению, поэтому в начале пуска эффект вытеснения выражен наиболее заметно. При уменьшении скольжения вытеснение тока становится менее интенсивным и при номинальном скольжении практически отсутствует. Таким образом, при вращении

Рис. 4.45. Пазы ротора с двойной клеткой: а - пазы обеих клеток имеют общую прорезь; б - пазы каждой клетки имеют отдельные прорези; в - пазы для заливки алюминия

Рис. 4.46. Кривая вращающего момента двухклеточного двигателя

двигателя активное сопротивление обмотки ротора уменьшается. Действие вытеснения тока в стержнях глубокопазного двигателя эквивалентно введению в обмотку ротора пускового сопротивления, которое выводится автоматически по мере разгона двигателя. Отсутствие контактных колец, пусковых сопротивлений и переключающих устройств снижает стоимость глубокопазного двигателя по сравнению с фазным, повышает надежность его работы и облегчает эксплуатацию. В глубокопазном двигателе обеспечивается высокий момент в широком диапазоне скольжений и меньший пусковой ток.

Двигатель с двойной клеткой. Значительный эффект дает использование двухклеточного ротора. В пазах 1 (рис. 4.45), размещенных по периферии поверхности ротора, закладывают стержни обычно небольшого сечения, имеющие высокое активное сопротивление. Индуктивность рассеяния этих стержней мала, так как они расположены неглубоко. Поэтому в начале пуска по ним проходит большой ток и создаваемый ими момент М 1 (рис. 4.46) имеет максимум при скольжениях, близких к единице. Клетку, образуемую этими стержнями, называют пусковой.

В пазах 2 (рис. 4.45), размещенных дальше от поверхности ротора, закладывают стержни обычно большого сечения, имеющие небольшое активное сопротивление. Индуктивность рассеяния этих стержней велика. Поэтому в момент пуска, при большом скольжении, они имеют большое индуктивное сопротивление, и по ним про-

ходит малый ток. По мере разгона двигателя индуктивное сопротивление рассеяния оказывает меньшее влияние, в результате чего токи в клетках начинают перераспределяться соответственно активным сопротивлениям. Активное сопротивление стержней второй клетки мало, проходящий по ней ток велик и в результате создаваемый ею момент М 2 (рис. 4.46) при скольжении, близком к номинальному, большой. Таким образом, эта клетка обеспечивает высокий момент двигателя при номинальном режиме работы, поэтому ее называют рабочей. В настоящее время из технологических соображений двухклеточную обмотку ротора обычно выполняют путем заливки в пазы алюминия (см. рис. 4.45, в ).

Момент двигателя складывается из моментов, создаваемых пусковой и рабочей клетками, и имеет достаточно высокое значение во всем диапазоне скольжений (см. рис. 4.46). Двигатель с двойной



может устойчиво работать в диапазоне скольжений от 0 до критического s k .

У асинхронных двигателей обычного исполнения s k =0,l4÷0,15. Поэтому их зона устойчивой работы весьма незначительна. В системах автоматического регулирования применяют двигатели с повышенным активным сопротивлением ротора, у которых s k >l. Такие двигатели устойчиво работают во всем диапазоне скольжений от 0 до 1.

Двигатели с массивным стальным ротором. В случаях, когда не требуется быстродействия и необходимо иметь устойчивую работу в диапазоне скольжений от 0 до 1, применяются двигатели со сталь-

ным массивным ротором. Эти двигатели отличаются от обычных асинхронных лишь конструкцией ротора, который не имеет обмотки и представляет собой сплошной массивный цилиндр. Обмотку ротора заменяют контуры вихревых токов в массивных участках стали, которые вследствие вытеснения тока имеют большое активное сопротивление, в результате чего критическое скольжение s к >1. Глубина проникновения потока в тело массивного ротора зависит от частоты перемагничивания. При частоте токов ротора f 2 = 1÷3 гц поток проникает в тело ротора на глубину до 20 мм, а при частоте 50 гц - всего до 2 мм. Малая глубина проникновения потока приводит к увеличению индукции на поверхностных участках ротора вследствие уменьшения сечения слоя, по которому проходит поток, поэтому значительно увеличивается намагничивающий ток двигателя.

Ротор имеет большое индуктивное сопротивление, так как поток рассеяния свободно замыкается по массиву. В результате повышенного намагничивающего тока и большого индуктивного сопротивления ротора двигатель имеет низкий coscp. Большие потери на вихревые токи и перемагничивание ротора снижают к. п. д. двигателя, поэтому двигатель с массивным ротором имеет более низкий cosφ и к. п. д., чем двигатели обычного исполнения.

Иногда с целью увеличения к. п. д. и вращающего момента при номинальном скольжении омедняют поверхность ротора. В некоторых случаях омедняют торцевую поверхность ротора или к торцам приваривают медные кольца.

Положительными свойствами двигателя с массивным ротором являются большой пусковой момент, устойчивая работа во всем диапазоне скольжений, простота устройства и надежность в работе.

Регулирование скорости вращения трехфазных двигателей. Трехфазные асинхронные двигатели обычно применяются для приводов, которые работают при постоянной скорости вращения, однако в некоторых случаях встречается необходимость ее изменения. Введением активного сопротивления в цепь обмотки ротора фазного двигателя можно регулировать скорость вращения в сторону ее уменьшения.

Рассмотрим регулирование скорости при М ст = const. При введении в цепь ротора регулировочного реостата ток двигателя, а следовательно, и его момент уменьшаются, в результате чего двигатель начинает тормозиться. Увеличение скольжения вызывает увеличение э. д. с. ротора и его тока до тех пор, пока не будет достигнуто прежнее значение момента при пониженной скорости вращения.

Если увеличить активное сопротивление цепи ротора от значения r 2а до r 2б , то моментная характеристика переходит с кривой а на кривую б (см. рис. 4.42). При этом скольжение двигателя, определяемое точкой пересечения моментной характеристики с прямой статистического момента М ст, увеличится от s a до s б . При увеличе-

нии сопротивления цепи ротора до r 2в скольжение увеличится до s б и т. д. Этим способом можно осуществлять плавную регулировку скорости вращения до 70% синхронной. Недостаток способ - его неэкономичность, так как в регулировочном реостате имеются

большие потери энергии. Для регулирования скорости вращения запрещается пользоваться пусковыми реостатами, так как они не рассчитаны на длительную работу.

Изменять вид момент-ной характеристики можно понижением напряжения на обмотке статора. При этом, согласно выражения (4.67), М U 2 . Если при уменьшении напряжения моментная ха-рактеритика переходит с кривой а на кривую б, то скольжение двигателя увеличивается от s a до s б (рис. 4.47). Этот способ позволяет регулировать скорость вращения в диапазоне скольжения от 0 до критического s k . У двигателей обычного испол-

Рнс. 4.48. Момент-ные характеристики двигателя с массивным стальным ротором при изменении напряжения

Рис. 4.49. Зависимость скорости вращения двигателя с массивным стальным ротором от напряжения сети

нения этим способом можно регулировать скорости вращения лишь в небольших пределах. С увеличением активного сопротивления ротора диапазон регулирования увеличивается.

У двигателей с массивным ротором s k >l. При изменении напряжения существенно меняется их моментная характеристика

(рис. 4.48), в результате чего представляется возможным плавно регулировать скорость вращения практически от нуля до максимального значения (рис. 4.49). На рис. 4.48 характеристики начинаются не от нуля, а от скольжения при холостом ходе.

Скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением скорости вращения поля статора, что осуществляется изменением частоты питающей сети или изменением числа полюсов. При изменении частоты питающей сети следует иметь в виду, что в этом случае пропорционально изменяются угловая частота со и индуктивные сопротивления x 1 и х" 2 . Поэтому для сохранения момента двигателя при изменении частоты согласно (4.67) необходимо изменить подведенное напряжение U 1 . Недостатком этого способа регулирования является необходимость иметь специальный генератор с регулированием частоты и напряжения.

Асинхронный двигатель, допускающий переключение обмоток на различное число полюсов называется многоскоростным. Для возможности изменения числа полюсов обычно каждую фазу обмотки статора делят на две одинаковые части, которые включают последовательно или параллельно (рис. 4.50). В некоторых случаях выполняют отдельные обмотки на разные скорости вращения. Ротор многоскоростного двигателя делают короткозамкнутым, так как в этом случае не требуется переключения числа полюсов на обмотке ротора. Многоскоростные двигатели выпускаются на две, три и четыре скорости вращения. При этом в пазах статора могут быть заложены одна или две раздельные обмотки. Недостатком многоскоростных двигателей является уменьшение мощности при тех же габаритных размерах и повышенная стоимость.

Рис. 4.50. Регулирование скорости вращения изменением числа полюсов обмотки статора: а-2р=4; б-2р=2

1. Каким образом в асинхронной машине создается вращающий момент? Как зависит вращающий момент от величины напряжения и частоты сети? Почему при введении в цепь ротора активного сопротивления во время пуска ток асинхронного двигателя уменьшается, а момент увеличивается?

2. По каким данным можно построить круговую диаграмму? Как, пользуясь круговой диаграммой, можно определить токи и моменты для различных нагрузок асинхронного двигателя?

3. Как изменится скольжение асинхронного двигателя при увеличении активного сопротивления обмотки ротора? При каких скольжениях практически имеет место вытеснение тока? Отчего зависит устойчивая работа двигателя?



top