Основное расчетное уравнение асинхронного двигателя

Основные уравнения асинхронного двигателя

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

В роторной обмотке аналогичное уравнение будет иметь вид:

 Но так как роторная обмотка замкнута, то напряжение U₂=0, и если учесть еще, что E_2s=SE₂ и x_2s=Sx₂ , то уравнение можно переписать в виде:

Уравнение токов асинхронного двигателя повторяет аналогичное уравнение трансформатора:

где

40. Чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, следует параметры обмотки ротора привести к обмотке стато­ра, т. е. обмотку ротора с числом фаз m₂, обмоточным коэффици­ентом k_o62 и числом витков одной фазной обмоткиω₂ заменить об­моткой с m₁, ω₁ и k_об1. При этом мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС и токов ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам, анало­гичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора (см. § 1.6).

При s = 1 приведенная ЭДС ротора

где k_e = E₁/ E₂ =k_o61 ω₁ /(k_o62/ ω₂) — коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе. Приведенный ток ротора

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

Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора:

Следует обратить внимание на некоторую специфику опреде­ления числа фаз m₂ и числа витков ω₂ для короткозамкнутой об­мотки ротора (см. рис. 10.3). Каждый стержень этой обмотки рас­сматривают как одну фазу, а поэтому число витков одной фазы короткозамкнутой обмотки ротора ω₂ = ,0,5; обмоточный коэффи­циент такой обмотки k_об2 = 1, а число фаз m₂ = Z₂, т. е. равно числу стержней в короткозамкнутой обмотке ротора.

41. В обмотку статора из сети поступает мощность P₁. Часть этой мощности идет на потери в стали P_сl, а также потери в обмотке статора Р_э1:

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

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

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

Воспользовавшись ранее полученной формулой

запишем выражение полной механической мощности:

т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.

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

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

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

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

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

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

.

Полагая в выражении , получим выражение для пускового момента асинхронного двигателя

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

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

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

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

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

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

.

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

Линеаризованная механическая характеристика рабочего участка примет вид

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

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

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

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

Рис. 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

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

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

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

Рис. 2. Векторная диаграмма асинхронного двигателя при небольшой нагрузке

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

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

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

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

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

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

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

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

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

· пуск при пониженном напряжении питания.

40.2.1. Прямое включение

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

40.2.2. Пуск при пониженном, напряжении

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

Обычно применяют один из четырех способов пуска при пониженном напряжении:

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

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

а) Пуск асинхронного двигателя через автотрасформатор

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

Рис.40.1. Пуск асинхронного двигателя с помощью автотрансформатора

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

б) Пуск с переключением об­моток статора со звезды на тре­угольник

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

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

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

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

46. Частота вращения асинхронного двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора реостата с различным сопротивлением (R_п4, R_пЗ, R_п2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту М_ном (рис. 268) будут соответствовать меньшие частоты вращения n₄, n₃, n₂ и т. д., чем частота n_е при работе двигателя на естественной характеристике 1 (при R_п = 0). Это способ регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).

47. Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока.[1] Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трехфазные.

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

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

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

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

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

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

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

Для возбуждения синхронных машин применяется не­сколько систем. Простейшей из них является электрома­шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис­пользуют специальный генератор постоянного тока GE, на­зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва­ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины I_в относительно велик и составляет не­сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру­ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA, называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора R_ш2при работе генератора не изменяется.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Расчетные формулы основных параметров асинхронных двигателей

Уравнения состояния и структурная схема асинхронного электродвигателя

Систему уравнений АД представим записанной в форме Коши,
одновременно заменяя токи обмоток через функции потокосцеплений.

Или, подставляя выражения для токов, получаем:

Подставляем полученные значения токов и момента в уравнения и,
обозначая D₁
= L₁L₂—L2_m, получаем:

Последние уравнения можно рассматривать как уравнения состояния
АД. В качестве переменных состояния здесь выступают проекции потокосцеплений на
ортогональные оси и угловая частота вращения ротора. Внешними воздействиями на
двигатель являются напряжения статора и момент сил сопротивления.

Эти уравнения нелинейны (содержат произведения переменных
состояния) и решения в общем виде не имеют. Переходные процессы АД обычно
исследуют моделированием на ЭВМ.

Передаточная функция асинхронного электродвигателя

Структурную схему АД можно построить, если перейти от системы
дифференциальных к операторным уравнениям.

Рассмотрим динамику работы АД при управлении напряжением,
подаваемом на обмотку статора. Электромагнитными переходными процессами
пренебрегаем и рассматриваем только электромеханический процесс. В общем виде
момент вращения электродвигателя является функцией частоты вращения и
напряжения на зажимах обмотки статора, а статический момент сопротивления
зависит от частоты вращения.

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку статора, на DU вызывает соответствующие изменения
моментов и частоты вращения:

При единичном сигнале DU(p) = U(p), DW(p) = W(р).
Передаточная функция АД при управлении напряжением, подаваемом на обмотку
статора, имеет вид:

Следует иметь в виду, что k_дв и Т_эм переменные параметры,
значения которых зависят от точки на механической характеристике, около которой
происходит регулирование.

Передаточная функция АД при частотном регулировании

Получить точное выражение передаточной функции АД, отражающей
электромагнитные и механические переходные процессы при частотном
регулировании, не представляется возможным, потому что имеют место существенные
нелинейности, связанные с преобразованием управляющего сигнала в частоту
напряжения, питающего электродвигатель.

Вопрос осложняется также наличием двух контуров регулирования
по двум взаимосвязанным входам — амплитуде и частоте напряжения. Поэтому для
электроприводов с частотным управлением особое значение имеют методы
моделирования на ЭВМ.

При малых изменениях частоты напряжения Dw₁будет изменяться
только активная составляющая тока ротора, реактивной составляющей пренебрегают.
Пренебрегают величинами второго порядка малости. Таким образом, исследуется
вращение ротора в магнитном поле постоянной амплитуды, вращающемся с заданной
частотой при скачкообразном изменении частоты питающего напряжения.
Передаточная функция при принятых условиях:

9.5. Вращающий
(электромагнитный) момент асинхронного электродвигателя

Рассмотрим энергетическую диаграмму трехфазного АД.

В диаграмме приняты следующие обозначения:

P₁
— активная мощность, потребляемая двигателем из сети,

P_эл1,
P_эл2
— электрические потери в обмотках статора и ротора,

P_эм
— электромагнитная мощность, передаваемая электромагнитным путем ротору,

P_мх— полная механическая мощность,

P_мех,
Р_доб — механические и добавочные потери,

P₂
— полезная мощность на валу.

Пусковые характеристики АД, представлены на рисунке.

Максимальному значению момента вращения соответствует некоторое
скольжение s_кр,
называемое критическим. Значение критического скольжения во многом определяется
величиной омического сопротивления обмотки ротора.

Асинхронные электродвигатели различных серий имеют широкий
диапазон варьирования параметров пусковых характеристик:

Меняя омическое сопротивление роторной обмотки r, изменяем характер
кривой момента:

Форма кривой момента вращения зависит также от формы пазов
ротора:

1 — с пазами бутылочной формы, 2 — глубокопазный ротор, 3 — ротор
с двойной беличьей клеткой

Режимы работы асинхронных машин

Направление вращения асинхронного электродвигателя при прямом
порядке чередования фаз (а—b—с) принимаем за положительное (первый квадрант), а
при обратном порядке чередования фаз (a—c—b) — за отрицательное
(третий квадрант). Во втором и четвертом квадрантах представлены характеристики
тормозных режимов.

Двигательный режим

Двигательный режим характеризуется изменением частоты вращения
электродвигателя от нуля (точка пуска) до W₁
(точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока)
от М_пуск (I_пуск)
до нуля.

Устойчивый режим работы обеспечивается частью механической
характеристики АД лежащей в диапазоне изменения скольжения от нуля до s_kp.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя строят в
функции полезной мощности электродвигателя Р₂.

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей
энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или
другой причины угловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит
синхронную частоту W₁. В генераторном режиме скольжение s

Динамическое торможение

Режим динамического торможения применяется для быстрой
остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется
следующим образом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна
фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последовательно,
подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное
в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной
момент и двигатель останавливается.

Торможение противовключением

Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся
двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению
направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в
противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s>l. Двигатель потребляет из сети активную
мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора.
Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю.
Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда s=1, фазы обмотки статора не будут
отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному
направлению вращения и произойдет реверс двигателя.

Расчет и построение механических характеристик асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря простоте своей конструкции и высокой надежности.

При подаче на обмотки статора напряжений, сдвинутых по фазе ни 120°, по обмоткам протекают токи, создается круговое вращающее магнит­ное поле, пересекающее обмотки ротора и наводящее в них ЭДС.

Так как об­мотка ротора имеет замкнутую электрическую цепь, в ней под действием ЭДС возникает ток. При взаимодействии роторных токов с вращающимся магнитным полем статора создается вращающий электромагнитный момент на валу электродвигателя. Под действием этого момента ротор вращается и сторону вращающегося магнитного поля статора, причем частота вращения ротора двигателя всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Частота вращения магнитного поля находится в строгой зависимости и от частоты f₁подводимого напряжения сети и числа пар полюсов pдвигателя:

(4.1)

где f₁ – частота питающей сети;

p — число пар полюсов.

Одним из показателей, характеризующих работу асинхронного двига­теля, является скольжение ротора, под которым понимается отношение

(4.2)

где n₁ — частота вращения магнитного поля статора;

n₂ — частота вращения ротора электродвигателя;

w₁ – угловая скорость магнитного поля статора;

w₂ — угловая скорость ротора электродвигателя.

При выводе уравнения механической характеристики асинхронного двигателя необходимо обратиться к упрощенной схеме замещения (см. рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Упрощенная схема замещения асинхронного электродвигателя

В соответствии с приведенной схемой находим выражение для при­веденного вторичного тока:

, (4.3)

где R₁, R₂ ’ — соответственно первичное и вторичное приведенные активные сопротивления;

R₀ , X₀ — активное и реактивное сопротивление контура намагничивания;

X₁, X₂ ’ -первичное и вторичное приведенное сопротивление рассеяния;

S — скольжение двигателя.

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь:

(4.4)

(4.5)

Подставляя значение I₂в (4.5), получаем уравнение механической характеристики асинхронного двигателя:

(4.6)

Из выражения (4.6) видно, что угловую скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением напряжения на зажимах двигателя, введением добавочного сопротивления в цепь статора или ротора, а если обратиться к выражению (4.1), то становятся очевидными еще два способа регулирования угловой скорости, а именно: изменением числа пар полюсов и изменением частоты питающей сети.

Использование уравнения (4.6) для практических расчетов весьма за­труднительно, поэтому в практических расчетах пользуются формулой Клосса:

(4.7)

или общей формулой

(4.8)

где М_кр — максимальный (критический) момент двигателя, Н*м;

S_кр — скольжение, соответствующее максимальному моменту;

q — параметр, зависящий от конструктивных особенностей.

Максимальный (критический) момент двигателя М_кр определяется по номинальному моменту двигателя М_н и его перегрузочной способности m_к:

(4.9)

Значение критического скольжения S_кр с достаточной степенью точ­ности может быть определено по соотношению

, (4.10)

где S_н — номинальное скольжение;

m_к — кратность критического момента.

Параметр q рассчитывается по соотношению

(4.11)

(4.12)

где m_п — кратность пускового момента.

Характерными точками механической характеристики асинхронного электродвигателя являются:

точка пуска с координатами w = 0; М = М_н;

точ­ка провала на пусковой ветви, угловая скорость, в которой w соответствует скольжению S = 0,8, М = М_мин;

критическая точка с координатами w_кр и М = М_кр;

точка холостого хода, в ко­торой w = w₁; М = 0 (см. рис. 4.2).

Участок механической характеристики в интервале угловых скоростей от w = w₁ до w = w_кр называется рабочей частью характеристики. В интер­вале угловых скоростей от w = w_кр до w = 0 находится пусковой участок ме­ханической характеристики.

Рисунок 4.2 – Механическая характеристика асинхронного двигателя

Пример 4

Рассчитать и построить механическую характеристику асинхронного двигателя типа АИР56А2. Паспортные данные: Р_н=0,18кВт; n_н=2730 об/мин; h_н=0,68; cos j = 0,78; ; .

Решение

об/мин; ;

;

; ;

; ;

;

Результаты расчетов механической характеристики по общей формуле Клосса сводим в таблицу 4.1. По полученным данным строим зависимости М=f(w) и М=f(S) (см. рис. 4.3).

Таблица 4.1 – Результаты расчетов механической характеристики асинхронного двигателя типа АИР56А2

Рис. 4.3 – Механические характеристики асинхронного двигателя

Асинхронные электродвигатели с совре­менными способами регулирования скорости вращения не уступают элек­тродвигателям постоянного тока. Основными способами регулирования яв­ляются: включение сопротивления в цепь ротора (только для двигателей с фазным ротором); изменение числа пар полюсов или изменение частоты пи­тающего тока, изменение величины подводимого напряжения. Применяют также электромагнитные муфты скольжения.

Регулирование переключением числа пар полюсов применяют для многоскоростных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Недос­татком является ступенчатое регулирование скорости.

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 4261 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ