Режимы работы асинхронных двигателей

СОДЕРЖАНИЕ: Общие сведения об асинхронных машинах. Общие сведения о режимах работы асинхронного двигателя. Аналитическое и графическое определение режимов работы асинхронной машины реконструкции.

Министерство Образования Российской Федерации

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра

«Электромеханика и нетрадиционная энергетика»

РЕФЕРАТ

Тема:

“РЕЖИМЫ РАБОТЫ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.”

Выполнил:

Ст-т 6-ого куса, 12 гр.,

спец. 1801,

Полукаров А.Н.

Проверил:

Булгаков В.В.

Самара

2006

1. ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ.

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электричес­кая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоян­ной частотой ₁ , а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления . Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ₂ является функцией угловой скорости ротора , которая в свою очередь зависит от вращающего мо­мента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на ста­торе, питаемой от сети переменного тока, и с трехфаз­ной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (при­соединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации дви­гатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2—5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим момен­том. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих поминальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон­струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ­ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна­чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро­странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди­няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка­сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба­вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки поз­воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве­личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег­чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль­ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк­нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача­ются для работы в определенных условиях с определенными техни­ческими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва­ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, Р_н = P _2н ;

частота сети f ₁ ;

линейное напряжение статора U _1лн

линейный ток статора I _1лн ;

частота вращения ротора n_н ;

коэффициент мощности cos_{1 н} ;

коэффициент полезного действия _н .

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (/).

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения п_1н = 60 f ₁ /р при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах — до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2—5% меньше синхронной; в микродвигателях — на 5—20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65—0,95, в микродвигателях 0,2—0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб­ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига­телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7—0,9; в микро­двигателях 0,3—0,7.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь­ко процентов. Поэтому частоту вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в относительных, вводя понятие скольжения:

s = ( п _с - п )/ п _с ,

где п _с — частота вращения поля (синхронная частота вращения); п — частота вращения ротора.

Скольжение выражается либо в относительных единицах ( s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в процентах ( s - 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и ЭДС обмотки статора и от скольжения:

f ₂ - f ₁ s; Е ₂ - E ₁ s,

где Е ₁ — ЭДС обмотки статора; Е ₂ — ЭДС обмотки ротора, приве­денная к числу витков обмотки статора.

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -...+ (рис. 2.1),

Рис. 2.1. Механическая характеристи­ка асинхронной машины

но не при s = 0, так как в этом случае п - п _с и проводники обмотки ротора неподвижны отно­сительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольже­ний различают несколько режи­мов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s 0, двигательный при 0 s 1, трансформаторный при s = 1 и тормозной при s 1. В ге­нераторном режиме ротор маши­ны вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном — направления вращения поля статора и ро­тора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: п = п _с (1 - s ). В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг дру­га. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой транс­форматор и отличается от него расположением первичной и вторич­ной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля ста­тора и машина создает момент, противоположный моменту, действу­ющему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количе­ство — в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме — кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двига­теля моменты, развиваемые двигателем при различных скольжени­ях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных едини­цах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: М* = M /М_ном . Зависимость М * = f ( s ) асинхронного двига­теля (рис. 2.2) имеет несколько характерных точек, соответствую­щих пусковому М* _п , минимальному М* _min , максимальному М* _max и но­минальному М* _ном моментам.

Пусковой момент М* _п характеризует начальный момент, развивае­мый двигателем непосредственно при включении его в сеть при непо­движном роторе ( s - 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 2.2). Обычно М* _min на 10...15 % меньше М* _п . Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М* _min был больше М* _ном , так как они могут достигнуть но­минальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М* _min .

Максимальный момент М* _max характеризует перегрузочную спо­собность двигателя. Если момент сопротивления превышает М* _max , двигатель останавливается. Поэтому М* _max называют также критиче­ским, а скольжение, при котором момент достигает максимума, — критическим скольжением s_{к p} . Обычно s _кр не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургиче­ских и т. п.) s _{к p} может быть значительно большим.

В диапазоне 0 s s _кр характеристика М - f ( s ) имеет устойчи­вый характер. Она является рабочей частью механической характе­ристики двигателя. При скольжениях s s _кр двигатель в нормаль­ных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхо­да на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена

к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом

Рис. 2.2. Зависимость тока и момента

асинхронного двигателя от скольжения

короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколь­ко раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольже­ниях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению до­пустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Электромеханическое преобразование энергии может происхо­дить в асинхронной машине в следующих трех режимах:

в режиме двигателя 0 s l, ₁ 0;

в режиме генератора s 0, ₁ ;

в режиме тормоза s 1, 0.

Кроме того, важны еще два характерных режима работы, в ко­торых электромеханическое преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0, = ₁ ) и режим корот­кого замыкания (s = 1, = 0).

В режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного момента 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в сторону поля со скоростью, мень­шей, чем скорость поля (₁ 0, 0 s 1). В этом режиме

_эм = ₁ = 0; _мех = = _э2 0.

Электрическая мощность Р ₁ = Р _эм + Р _м + Р _э1 0 преобра­зуется в механическую мощность Р ₂ = Р _мех — _д — 0, пере­даваемую через вал приводимой в движение машины.

Энергетические процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление активной составляющей тока ротора i _2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление электромагнитного момента определяется электромагнитной силой B_m i _{2 a} , действующей на ток i _{2 a} .

Полезная механическая мощность Р ₂ оказывается меньше по­требляемой из сети мощности на потери :

₂ = ₁ - = ₁ -( _{э 1} + _м + _{э 2} + _д + _т ),

И КПД двигателя выражается формулой:

= = 1- = f(s)

В режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента М_в 0, направленного в сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со скоростью, превышаю­щей скорость поля ( ₁ , s 0). В этом режиме в связи с изме­нением направления вращения поля (^) относительно ротора активная составляющая тока ротора г_2а изменяет свое направление иа обратное (по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент = B_m i _{2 a} , уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается отрицательным (М 0), мощности Р_э „ и Р_тх также отрицательны:

_эм = ₁ = 0; _мех = = _э2 0.

Рис. 3.1. Режимы работы асинхронной машины.

а — двигательный;

б — генераторный;

в — тормоза;

г — трансформатора (или короткого замыкания).

Направление преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Р_г , подведенная к валу машины, преоб­разуется в электрическую мощность P_lt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

_мех = _эм - _э2 0 приs 0

по абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):

| _мех | = | _эм | + _э2

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в отно­сительных единицах при 1/_х = 1; /₀ = 0,364; cos р₀ = 0,185; Х_г = Х₂ = 0,125; К_г = 0,0375; R _s = 0,0425).

По той же причине потребляемая механическая мощность

P ₂ = P ₁ - 0

по абсолютному значению на потери больше электрической мощнос­ти, отдаваемой в сеть:

| ₂ | = | ₁ | + ,

и КПД генератора

= = 1-.

В режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента М _в 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины вращается в сторону, противоположную полю (0, s = 1). В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля .₅ относительно ротора остается таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным (М 0). Однако, поскольку 0, механическая мощность оказывается отрицательной:

_мех = = _э2 0

Это означает, что она подводится к асинхронной машине. Электро­магнитная мощность в этом режиме положительна:

_эм = ₁ = 0

Это означает, что она поступает из сети в машину.

Подведенные к ротору машины со стороны сети | _эм | и вала | _мех | мощности превращаются в электрические потери Р_э2 в сопро­тивлении ротора R ₂ (рис. 3.2):

| _мех | + | _эм | = _э2 + _э2 = _э2 = m ₁ R ₂ (I ₂ )² .

Асинхронная машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого подъемным краном груза. При этом мощность | _мех | = | | поступает в ротор машины (см. рис. 3.1).

В режиме идеального холостого хода внешний вращающий мо­мент _в , момент трения _т = _т / и момент, связанный с добавоч­ными потерями, М_д = _д / равны нулю. Ротор вращается со ско­ростью поля ( = ₁ , s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Р_мех = = 0).

В режиме идеального холостого хода внешний момент, прило­женный к валу машины, равен нулю (М _в = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и вращающееся поле ( = ₁ ), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи в обмотке ротора не индуктируются(I ₂ =0), и электромагнитный момент, уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).

Режим холостого хода асинхронной машины аналогичен ре­жиму холостого хода трансформатора. В асинхрон­ной машине и в трансформаторе ток в этом режиме имеется только в первичной обмоткеI ₁ 0, а во вторичной — отсутствует (I ₂ = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме только первичным током, что позволяет называть ток хо­лостого хода намагничивающим током(I ₁ = I ₀ ). В отличие от транс­форматора система токовI ₀ в фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле.

По аналогии с трансформатором уравнение напряжений необ­ходимо составить при холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной обмоткой:

,

где — ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся магнитным полем с потоком Ф_га ;

— фазное напряжение первичной сети;

R ₁ , Х₁ — активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).

В силу малости падений напряжений X ₁ I ₀ и R ₁ I ₀ напряжение почти полностью уравновешивается ЭДС т. е. = -.

В режиме холостого хода R _мех = R ₂ = , ток R ₂ = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z₁ + Z₀ (Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга).

В режиме короткого замыкания под действием внешнего момента _в , уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удер­живается в неподвижном состоянии ( = 0, s = = 1) и не совершает полезной механической работы (Р _мех = = 0).

Направление тока i _2a и электромагнитного момента остается таким же, как в режиме двигателя, и 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Р_эм = ₁ 0 — она поступает в ротор из статора и превращается в электрические потери (Р_эм = = Р_э2 ). В этом режиме асинхронная машина работает как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо пульсирующего поля в трансформаторе.

В режиме короткого замыкания R _мех = R ₂ = 0 и сопро­тивление схемы замещения по рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z₁ + Z₀ и Z₁ + Z ₂ . Имея в виду, что |Z₁ + Z ₂ | « |Z₁ + Z₀ |, можно отбросить ветвь Z₁ + Z₀ и считать сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным

Z_к = Z₁ + Z ₂ = R_к + j X_к (43-3)

где

R_к = R₁ + R ₂

Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему дополнительных сопротивлений R_2д + j Х_2д , то она будет работать как трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребля­емую дополнительными сопротивлениями R_2д + j Х_2д . Поэтому режим при s = 1 называется также режимом трансформатора.

Изменить режим работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U ₁ = const и f ₁ = const) можно только путем изменения внешнего момента М _в , приложенного к валу машины. При М _в = 0 ротор вращается со скоростью поля ( = ₁ , s = 0) и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента М _в , направленного против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не появится электромагнитный момент =f (s), который уравновесит момент М _в . Машина переходит в режим двигателя s = 0. Наоборот, при воздействии внешнего момента М _в направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем скорость поля ( ₁ ), и машина переходит в режим генератора (s=0).

Наконец, к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент М _в таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в противоположную сторону (по отношению к полю).

4. ЛИТЕРАТУРА.

1. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с., ил.

2. Вольдек А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л., «Энергия», 1974.

3. Проектирование электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк., 2002. – 757 с.: ил.

Скачать архив с текстом документа