42. Схемы замещения асинхронной машины. Т-образные и г-образные схемы замещения. Г образная схема замещения асинхронного двигателя

Схемы замещения асинхронного двигателя | мтомд.инфо

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

Полная схема замещения асинхронного двигателя при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронного двигателя с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопротивления, зависящего от нагрузки (рис. 1, а). Эту схему замещения называют Т-образной. Следовательно, и в этом случае удается свести теорию асинхронной машины к теории трансформатора. Векторная диаграмма для Т-образной схемы замещения приведена здесь.

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 1

Сопротивления намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформатора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной.

Сопротивление r2‘(1 — S)/S можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку ротора. Оно является единственным переменным параметром схемы. Изменение этого сопротивления эквивалентно изменению нагрузки на валу двигателя, а следовательно, изменению скольжения S.

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Можно упростить вычисления, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рисунке 2, позиции а. Для Г-образной схемы замещения имеем:

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 2

При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С1≈1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С1 = 1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром (рис. 2, б).

www.mtomd.info

42. Схемы замещения асинхронной машины. Т-образные и г-образные схемы замещения

При практических расчетах вместо реального асинхронного двигателя, на схеме его заменяют эквивалентнойсхемой замещения, в которой электромагнитная связь заменена на электрическую. При этом параметры цепи ротора приводятся к параметрам цепи статора.

По сути, схема замещения асинхронного двигателя аналогична схеме замещения трансформатора. Различие в том, что у асинхронного двигателя электрическая энергия преобразуется в механическую энергию (а не в электрическую, как это происходит в трансформаторе), поэтому на схеме замещения добавляют переменное активное сопротивление r2'(1-s)/s, которое зависит от скольжения. В трансформаторе, аналогом этого сопротивления является сопротивление нагрузки Zн.

Величина скольжения определяет переменное сопротивление, например, при отсутствии нагрузки на валу, скольжение практически равно нулю s≈0, а значит переменное сопротивление равно бесконечности, что соответствует режиму холостого хода. И наоборот, при перегрузке двигателя, s=1, а значит сопротивление равно нулю, что соответствует режиму короткого замыкания.

Как и у трансформатора, у асинхронного двигателя есть Т-образная схема замещения.

Более удобной при практических расчетах является Г-образная схемазамещения.

В Г-образной схеме, намагничивающая ветвь вынесена к входным зажимам. Таким образом, вместо трех ветвей получают две ветви, первая – намагничивающая, а вторая – рабочая. Но данное действие требует внесение дополнительного коэффициента c1, который представляет собой отношение напряжения подводимого к двигателю, к ЭДС статора.

Величина c1приблизительно равна 1, поэтому для максимального упрощения, на практике принимают значение c1≈1. При этом следует учитывать, что значение коэффициента c1уменьшается с увеличением мощности двигателя, поэтому более точное приближение будет соответствовать более мощному двигателю.

Параметры схемы замещения рассматриваются подробнее в статье векторная диаграмма асинхронного двигателя

43. Приведение обмотки ротора к обмотке статора.

Для построения векторной диаграммы осуществим приведение параметров обмотки ротора к параметрам обмотки статора. При этом обмотку ротора с числом фаз m2, обмоточным коэффициентом k2 и числом витков W2заменяют обмоткой с соответствующими параметрами статора m1, k1, W1, соблюдая при этом энергетический баланс в роторе.

Методика приведения параметров асинхронного двигателя аналогична методике приведения вторичной обмотки трансформатора. При этом уравнение обмотки ротора (5.4) примет вид

где

;

44. Механический момент и механическая мощность ад

Как уже говорилось, взаимодействие тока I2 в обмотке ротора с потоком асинхронной машины Ф создает механическую силу, приводящую ротор во вращение. При определении вращающего момента, создаваемого этой силой, необходимо исходить из известного физического соотношения, согласно которому мощность, затрачиваемая на приведение тела во вращение, определяется произведением приложенного к нему момента на скорость вращения данного тела.

Как было указано в § 3, на ротор двигателя через вращающийся магнитный поток Ф передается некоторая электромагнитная мощность, рассчитываемая по формуле (33). Однако не вся мощность, переносимая на ротор магнитным потоком, расходуется на приведение его во вращение, поскольку часть ее тратится на нагревание проводников обмотки ротора.

Механическая мощность двигателя, равная разности электромагнитной мощности и мощности потерь [см. формулу (34)], будет равна произведению вращающего момента на частоту вращения ротора:

Рмех = Мп/9,55, (39)

где М — момент, Н∙м; n — частота вращения, об/мин.

Частота вращения ротора может быть связана с частотой вращения магнитного поля машины, если вспомнить формулу (9), из которой следует:

n = n1(1— s). (40)

Во многих случаях для понимания сущности явлений, происходящих в асинхронной машине, полезно иметь в виду еще одно выражение для вращающего момента. Выше мы уже упоминали, что механическая сила, действующая на проводники ротора, создается в результате взаимодействия тока в проводниках обмотки ротора с магнитным полем. Момент асинхронного двигателя можно рассчитать, зная значение приведенного тока в роторе и потока машины

М = cмI2Фмакс cos ψ2 , (43)

где ψ2 — угол сдвига между э. д. с. Е'2, наводимой в роторе и током ротора I'2; cм — постоянный коэффициент; Фмакс — магнитный поток, Вб; I'2 — ток ротора, А.

В области малых скольжений асинхронной машины справедливой является приближенная формула

М = cмI'2Фмакс , (44)

поскольку cos ψ2 при малых скольжениях близок к единице

studfiles.net

41.Анализ т-образной схемы замещения асинхронного двигателя.

Рис. 10.17. Схема замещения асинхронного двигателя.

Схема замещения асинхронного двигателя аналогична схеме замещения трансформатора и представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмоткой статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.

42.Анализ г-образной схемы замещения асинхронного двигателя.

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя.

Рис. 2.

43.Потери асинхронного двигателя и кпд асинхронного двигателя.

Работа асинхронного двигателя, как и любой другой машины, сопровождается потерями. Потери в конечном итоге, приводят к нагреву двигателя и снижению его КПД.

КПД асинхронного двигателя, представляет собой отношение полезной мощности на выходе P2 к подводимой двигателю мощности P1, выраженная в процентах.

Мощность, подводимая к двигателю:

где m – количество фаз, U1 – напряжение на статорной обмотке, I1 – ток в статорной обмотке, cosφ1 – коэффициент мощности двигателя.

Полезная мощность на выходе P2, меньше подводимой мощности P1 на величину суммарных потерь ∑P

Потери ∑P складываются из магнитных, электрических и механических потерь.

В первую очередь часть подводимой мощности P1 расходуется на покрытие магнитных Pм1 и электрических Pэ1 потерь в статоре.

Электрические потери в статоре.

где r1 активное сопротивление обмотки статора.

Магнитные потери в статоре приблизительно определяются как

где f1 – частота тока перемагничивания, которая равна частоте тока в сети. V = 1.3-1.5. Магнитные потери в роторе малы настолько, что ими при практических расчетах пренебрегают. Это связано с малой частотой перемагничивания ротора.

Мощность, оставшаяся после восполнения потерь в статоре, называется электромагнитной и равна

Электромагнитная мощность передается ротору с помощью магнитного поля, через воздушный зазор δ. Часть электромагнитной мощности затрачивается на электрические потери в роторе, которые пропорциональны скольжению

Отсюда можно получить выражение для скольжения

Не трудно заметить, что с увеличением скольжения электрические потери в роторе также увеличиваются, а это в свою очередь вызывает уменьшение КПД.

В асинхронных двигателях с фазным ротором, присутствуют потери в щеточном узле, которые обычно добавляют к электрическим потерям в роторе

где I2 – ток ротора, Uщ – падение напряжения на пару щеток

Оставшаяся мощность называется механической

Часть механической мощности расходуется на механические и добавочные потери.

К механическим, относятся потери от трения в подшипниках, щетках и вентиляционные.

К добавочным потерям относят все остальные трудно учитываемые потери, которые, как правило, состоят из пульсационных и поверхностных потерь, которые возникают в зубцах ротора и статора. Приблизительное значение добавочных потерь рассчитывается по формуле

Оставшаяся мощность представляет собой полезную мощность на валу двигателя

Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

Фиг. 88. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

studfiles.net

2.1. Построение схем замещения

Вспомните известные Вам из курсов «Электрические системы и сети», «Электрические машины», «Электромагнитные переходные процессы» схемы замещения воздушных и кабельных линий, трансформаторов, синхронных и асинхронных машин!

Схема замещения сложной цепи составляется из схем замещения отдельных ее элементов.

Схема замещения может быть справедлива для любого момента времени или только одного определенного момента (например, замещение генератора сопротивлением ).

2.1.1. Воздушные и кабельные линии.Чаще всего воздушные и кабельные линии замещаются П-образными схемами замещения (рис. 2.1).

Рис. 2.1. П-образная схема замещения линии

Активная проводимость обычно не учитывается:

;
.

При длинах воздушных линий более 300 км вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие распределенность параметров линий. (В случае длин более 1000 км они становятся комплексными).

При упрощенном рассмотрении электромеханических переходных процессов воздушные линии могут заменяться полными или чисто реактивнымисопротивлениями. (Это справедливо при небольшой длине линий или наличии шунтирующих реакторов, уничтожающих в схеме замещения составляющую емкостной проводимости).

Поскольку для воздушных линий, имеющих провода большого сечения реактивное сопротивление значительно больше активного, то активное сопротивление в этом случае часто можно не учитывать.

При анализе переходных процессов в системах малой мощности или включающих кабельные линии, следует учитывать активные сопротивления линий.

2.1.2. Асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели при исследовании электромеханических переходных процессов обычно представляются схемой замещения, отображающей основные контуры машины с учетом потерь (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема замещения асинхронного двигателя

На этой схеме замещения:

- индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

- активное сопротивление статорной обмотки;

- активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статорной обмотке;

- индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки, приведенное к обмотке статора;

- сопротивление взаимоиндукции между обмотками статора и ротора;

- активное сопротивление ветви холостого хода, которым эквивалентируются потери активной мощности в сердечнике от основного магнитного потока;

- скольжение.

В практических расчетах часто используют упрощенные схемы замещения асинхронного двигателя, например Г-образную (рис. 2.3а).

Рис. 2.3. Упрощенные схемы замещения асинхронных двигателей

а - Г-образная, б – не учитывающая ветвь намагничивания

Иногда можно использовать более грубое приближение, не учитывая активные сопротивления и, что приводит к завышению вращающегося момента двигателя на 10-15 %. В некоторых случаях применяют еще более грубую модель, исключая из схемы замещения сопротивление(рис. 2.3б).

2.1.3. Трансформаторы.При анализе электромеханических переходных процессов чаще всего используют Г-образную схему замещения трансформатора, не учитывающую активные сопротивления (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Упрощенная Г-образная схема замещения трансформатора

На этой схеме:

- индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки трансформатора;

- индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки, приведенное к первичной обмотке трансформатора;

- индуктивное сопротивление ветви намагничивания.

В ряде случаев ветвь намагничивания не учитывают.

2.1.4. Синхронные генераторы и двигатели.На рис. 2.5 приведены схемы замещения явнополюсной синхронной машины с учетом демпферной обмотки по продольной (а) и поперечной (б) осям.


а)	б)

Рис. 2.5. Схемы замещения явнополюсной синхронной машины с учетом демпферной обмотки

а – по продольной оси; б – по поперечной оси

На этом рисунке:

,- сопротивления взаимоиндукции между контурами статора и ротора по продольной и поперечной осям;

и- сопротивления рассеяния успокоительной обмотки по продольной и поперечной осям;

- сопротивление рассеяния обмотки возбуждения;

- индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

- активное сопротивление обмотки статора;

,и- активные сопротивления обмотки возбуждения и успокоительной обмотки.

Активное сопротивление статорной обмотки обычно может либо не учитываться (ввиду его малости), либо суммироваться с сопротивлением внешней цепи.

При анализе установившихся режимов синхронные машины представляются синхронными реактивными сопротивлениями по продольной оси и по поперечной оси, включенными последовательно с ЭДСи, соответственно (рис. 2.6).


а)	б)

Рис. 2.6. Схемы замещения синхронной машины в установившемся режиме:

а - по продольной оси; б - по поперечной оси

В начальной стадии переходного процесса синхронная машина может быть представлена схемами замещения, включающими переходные и сверхпереходные сопротивления и ЭДС.

Сверхпереходное реактивное сопротивление по продольной оси

(2.1)

Переходное реактивное сопротивление (без учета демпферной обмотки) по продольной оси

(2.2)

Сверхпереходное реактивное сопротивление по поперечной оси

(2.3)

Переходное реактивное сопротивление по поперечной оси .

Сопротивления ,,,иобычно приводятся в каталожных данных двигателя или генератора.

Предположим, что синхронный генератор подключен к узлу nэлектрической сети. ЭДС генератора в этом случае может быть определена с использованием выражения

(2.4)

где - напряжение узловой точкиn;

, - мощности, поступающие к точкеnот этого генератора;

,- сопротивления, включающие в себя внутренние сопротивления генератораи сопротивления внешней сети от выводов генератора до точкиn.

В зависимости от того, какая из ЭДС генератора должна быть определена, по-разному будет учитываться сопротивление генератора . Так, в установившемся режиме при отсутствии системы автоматического регулирования возбуждения (АРВ) генератор обычно представляют ЭДС, пропорциональной току возбуждения, за сопротивлением. При АРВ пропорционального действия ЭДС генератора принимают равной, а. Если генератор снабжен АРВ сильного действия,и, соответственно,.

Для явнополюсного синхронного генератора необходимо его сопротивление умножить на коэффициент, отражающий влияние явнополюсности, который может быть принят равным 0,85-0,95 в зависимости от типа машины и режима, в котором она работает [1, с.264].

При асинхронном режиме () приближенные схемы замещения могут быть получены из схем, изображенных на рис. 2.5. Эти схемы аналогичны упрощенной Г-образной схеме замещения асинхронного двигателя. В некоторых случаях схему замещения можно дополнительно упростить, исключив ветвь намагничивания.

studfiles.net

Определение параметров Г-образной схемы замещения. Расчет рабочих и пусковых характеристик

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО СЕЛЬСКОМУ ХОЗЯЙСТВУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУП ВПО КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электроснабжения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Вариант 65

Шифр 05эт465

Работу выполнил

студент III курса ЭТФ гр.39: Чугунов А.Ю.

Преподаватель: Силин Л.Ф.

Красноярск 2006г.

Содержание работы

1. Рассчитать параметры уточненной Г – образной схемы замещения асинхронного двигателя. Начертить Г – образную схему замещения двигателя и разметить сопротивление.

2. Рассчитать рабочие и пусковые характеристики. Начертить графики рабочих и пусковых характеристик.

№

зада

ния

U1ф

2р

SН,

РМЕХ,

Вт

Сопротивление Т – образной схемы

замещения двигателя, Ом

Сопротивление

двигателя при

пуске (s =1), Ом

RКП

ХКП

380

3,1

240

0,9

1,26

0,56

1,45

2,4

2,0

2,6

1. Определение параметров Г – образной схемы замещения

Полное сопротивление намагничивающего контура Г – образной схемы замещения.

Z00 = Ом

Коэффициент, учитывающий влияние сопротивления обмотки статора на магнитный поток при « идеальном холостом ходе » двигателя, для уточненной Г – образной схемы замещения.

Сопротивление главной ветви схемы замещения, Ом:

активные

Ом

индуктивные

Ом

Г – образная схема замещения двигателя с обозначенными сопротивлениями.

2. Рабочие и пусковые характеристики.

Рабочие и пусковые характеристики асинхронного двигателя рассчитывают с помощью соотношений (формул) для Г – образной схемы замещения.

Ток намагничивающего контура

Потери мощности в обмотке статора при “идеальном” холостом ходе

кВт

Потери мощности в стали

кВт

Критическое скольжение, о.е.

Рабочие пусковые характеристики рассчитываем для значений скольжений S равных 0; 0,5SН; SН; 1,25SН; SКР; 1.

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки при изменении S от 0 до SКР

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

· S = 0

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки при изменении S от 0 до SКР

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки при изменении S от 0 до SКР

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки при изменении S от 0 до SКР

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки при изменении S от 0 до SКР

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

· S = 1

Полное сопротивление главной ветви схемы замещения

Ом

Ток нагрузки

Активная составляющая тока статора

Реактивная составляющая тока статора

Полный ток статора

Потребляемая из сети мощность

кВт

Потери мощности в обмотках машины, обусловленные током

нагрузки

кВт

Добавочные потери мощности

кВт

Суммарные потери мощности

кВт

Полезная механическая мощность на валу двигателя

кВт

Частота вращения ротора

Угловая механическая скорость вращения ротора двигателя

Полезный момент на валу

- Нм

Электромагнитный момент при изменении скольжения

Коэффициент мощности двигателя

Коэффициент полезного действия, о.е.,

Результаты расчета рабочих и пусковых характеристик

I00, A	7,85
Cos00,o.e.	0,068
Sin00, o.e.	0,997
PЭ1Х, кВт	0,166
РМ, кВт	0,44
S, о.е.	0	0,5Sн	Sн	1,25 Sн	Sкр	1,0
ZР, Ом.		39,11	20,16	16,4	4,8	3,28
I2”, A	0	9,71	18,84	23,16	79	115,8
Cosψ2”, o.e.	1	0,997	0,99	0,985	0,8	0,6
Sin ψ2”, o.e.	0	0,072	0,14	0,172	0,58	0,79
I1a , A	0,746	10,43	19,4	23,56	64,7	71,37
I1p , A	7,83	8,53	10,47	11,82	54,2	99,65
I1 , A	7,87	13,48	22,04	26,36	84,4	122,5
P1 , кВт	0,85	11,89	22,12	26,86	73,1	81,4
РЭ12 , кВт	0	0,43	1,61	2,43	28,36	60,9
РД , кВт	0,014	0,041	0,11	0,158	1,62	3,58
∑р , кВт	0,865	1,321	2,57	3,446	30,83	65,3
Р2 , кВт	-0,01	10,57	19,54	23,41	42,9	16,1
n , об/мин	1000	984	969	961	800	0
Ώ , рад/с	104	103	101	100,6	83	0
М2 , Нм	0	102	192,7	232	512	-
М , Нм	0	103	193,8	234	531	414
Cos1, o.e.	0,094	0,77	0,88	0,89	0,76	0,58
, о.е.	0	0,883	0,889	0,87	0,58	0,198

По результатам расчётов строим графики зависимости М, М2, I1, Р1, n, η, cos1 = f (Р2) (рабочие характеристики) и М; I1 = f (S) ( пусковые характеристики).

vunivere.ru

Схемы замещения асинхронной машины

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Схемы замещения асинхронной машины

Т - образная схема замещения.

Сопротивлением намагничивающей цепи является главное индуктивное сопротивление первичной обмотки, и по этой цепи протекает намагничивающий ток

Напряжение на зажимах 1 и 2 намагничивающей цепи

Схема 1.

Схема замещения не учитывает магнитных потерь в сердечниках машины.

Потери в сердечнике статора (первичной цепи) могут быть учтены при аналогично тому, как это было сделано для трансформатора, путем включения на зажимы 1 и 2 схемы рис. параллельно сопротивлению активного сопротивления такой величины, что потери в нем будут равны магнитным потерям в сердечнике статора на одну сразу:

откуда

Величину можно найти, если из опытных или расчетных данных известны потери в сердечнике статора при определенном E1 или определенном магнитном потоке. Обычно

Параллельно включенные сопротивления можно объединить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи , можно объединить в одно общее сопротивление намагничивающей цепи

или

причем . В результате вместо схемы 1 получим схему 2, которая в несколько ином виде представлена па схеме 3.

Схема 2.

Схема 3.

При этом

и выделено добавочное сопротивление

соответствующее механической мощности, развиваемой на роторе машины. Схема 3 аналогична схеме замещения трансформатора, к вторичным зажимам которой подключено нагрузочное сопротивление

Намагничивающий ток схем 2 и 3 содержит, кроме реактивной составляющей , также активную составляющую , соответствующую магнитным потерям в статоре:

Непосредственный учет магнитных потерь в сердечнике ротора (вторичной цепи) в схеме замещения сложен, так как частота перемагничивания этого сердечника при изменении s изменяется, в результате чего указанные потери при не пропорциональны . В нормальных рабочих режимах машины

(0 < s < 0,05) вследствие малой частоты перемагничивания эти потери вообще незначительны и их можно не учитывать. Если же учет этих потерь все же необходим, то следует иметь в виду, что они покрываются за счет механической мощности.

С увеличением номинальной мощности к.п.д. машины увеличивается, а относительные величины потерь уменьшаются, соответственно чему уменьшаются также относительные величины активных сопротивлений.

Из приведенных данных видно, что сопротивление намагничивающей цепи схемы замещения асинхронных машин значительно меньше, чем у трансформаторов. Это объясняется наличием в магнитной цепи асинхронных машин воздушного зазора между статором и ротором. В связи с этим намагничивающий ток и ток холостого хода асинхронных машин значительно, чем у трансформаторов.

Г - образная схема замещения.

Составим по правилу контурных токов уравнения напряжений схемы 3.

Для преобразования уравнений перейдем в них от переменной к новой переменной по равенству

где C1 — некоторое, неопределенное пока комплексное число. Эту операцию можно рассматривать как новое приведение вторичной цепи, причем C1 является коэффициентом приведения,

откуда

таким образом

Ток I00 представляет собой первичный ток идеального холостого хода асинхронной машины, когда ее ротор вращается с синхронной скоростью (s = 0).

Генераторный режим

(- <s<0). Для осуществления генераторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п превышающей синхронную скорость n1. Скольжение машины при этом отрицательно.

В двигательном режиме

Теоретически скорость п в генераторном режиме может изменяться в пределах , чему соответствует изменение скольжения в пределах . В действительности высокие скорости вращения недопустимы по условиям механической прочности, а по условиям ограничения потерь и нагревания и сохранения высокого к. п. д. в генераторном режиме возможны абсолютные значения скольжения такого же порядка, как и в двигательном режиме.

В генераторном режиме.

Рассмотрим активные и реактивные относительно э.д.с. составляющие токи .

В двигательном режиме s > 0 и обе составляющие , тока положительны.

На основании изложенного построены векторные диаграммы

В режиме противовключения.

Режим противовключения

(1<s< ). В этом режиме ротор приключенный к сети асинхронной машины вращается за счет подводимой извне к ротору механической энергии против вращения поля, вследствие чего скорость вращения ротора п< 0 и, s>1. На практике в этом режиме обычно 1<s<2.

Поскольку как в двигательном, так и в режиме противовключения s>0, активные и реактивные составляющие вторичного тока имеют в режиме противовключения такие же знаки, как и в двигательном. Это означает, что и в режиме противовключения машина потребляет из сети активную мощность и развивает положительный вращающий момент, действующий в сторону вращения поля. Но, поскольку ротор вращается в обратном направлении, на него этот момент действует тормозящим образом.

В режиме противовключения машина потребляет также механическую мощность с вала или с ротора, поскольку внешний вращающий момент действует в сторону вращения ротора. Как мощность, потребляемая из сети, так и мощность, потребляемая с вала, расходуются на потери в машине. Полезной мощности машина поэтому не развивает, а в отношении нагрева рассматриваемый режим является тяжелым.

Режим противовключения на практике используется для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращения поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, т. е. теперь уже против поля. Механическая мощность рмх в данном случае развивается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При машину необходимо отключить от сети, так как иначе она придет во вращение в обратном направлении. Таким же образом может осуществляться быстрый реверс (изменение направления вращения) двигателя, причем в этом случае, естественно, при отключать двигатель от сети не нужно. В начале процесса реверсирования также существует режим противовключения.

Режим противовключения называют также режимом электромагнитного тормоза. Следует, однако, иметь в виду, что существуют и другие способы электромагнитного торможения асинхронной машины.

Режим короткого замыкания.

Режимом короткого замыкания асинхронной машины называется ее режим при s=1, т. е. при неподвижном роторе. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния. Сопротивление асинхронной машины относительно ее первичных зажимов при s=1 называется сопротивлением короткого замыкания Zk

или, так как , приближенно

ЭЛЕКТРОМАГИНТЫЙ МОМЕНТ

Полезный вращающий момент

Полезный вращающий момент на валу двигателя М2 меньше электромагнитного момента М на величину

которая соответствует механическим и добавочным потерям, покрываемым за счет механической мощности Рмх на роторе. Поэтому

Механическая характеристика двигателя представляет собой зависимость скорости вращения п от развиваемого момента на валу М2 при U1 = const и f1 = const:

n=f(M,)

или, наоборот,

M2 =f(n).

Так как при нагрузке момент М0 мал по сравнению с М н М2, то можно положить или включить M0 в величину статического тормозящего момента Мст, который развивается рабочей машиной или механизмом, приводимым во вращение асинхронным двигателем.

Очевидно, что вид механических, характеристик существенно зависит от величины вторичного активного сопротивления.

установившийся режим работы

асинхронного двигателя.

Рассмотрим процесс пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутой вторичной обмоткой при его включении на полное напряжение сети. Так производится пуск подавляющего большинства находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей. При рассмотрении процесса пуска не будем принимать во внимание электромагнитные переходные процессы, связанные с тем, что при включении любой электрической цепи электромагнитного механизма под напряжение и при изменении режима его работы токи достигают практически установившихся значений не сразу, а после истечения некоторого времени, величина которого пропорциональна электромагнитной постоянной времени Т, зависящей от индуктивности и активного сопротивления цепи. Обычно при пуске асинхронного двигателя время его разбега до нормальной скорости значительно больше длительности электромагнитных переходных процессов, и поэтому влияние этих процессов на процесс пуска невелико. Следовательно, процесс пуска можно рассматривать на основе полученных выше зависимостей для вращающего момента и токов в условиях работы двигателя при установившемся режиме с заданным скольжением.

На рис. показана механическая характеристика M=f(n} асинхронного двигателя и механическая характеристика Мст=f(n) некоторого производственного механизма, приводимого во вращение двигателем.

Рис 1. Соотношения между моментами при

пуске и работе асинхронного

двигателя

Рис 2. Устойчивые (точки 1,3) и неустойчивые

(точка 2) режимы работы асинхронного

двигателя.

Уравнение моментов агрегата «двигатель — производственный механизм» имеет вид

где

представляет собой динамический вращающий момент агрегата, пропорциональный моменту его инерции J. Если при п = 0, пусковой момент , то и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область)

В точке 1 на 1рисункен достигается равновесие моментов.

При этом и наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения п' и скольжением s'. Величина s' будет тем больше, чем больше М1„ и чем больше, следовательно, нагрузка двигателя. Если при работе двигателя его нагрузку (статический момент производственного механизма Мст„) увеличить (кривая 2 на рис 1), то s возрастет, а п уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 на рис. 1), наоборот, s уменьшится, а п увеличится.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если Мст возрастет, то будет М < Мст, и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также э.д.с. E2s и ток Iа вторичной цепи. В результате электромагнитный момент М увеличивается и уменьшение п (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов М = Мст. При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении.

Как видно из рис.1, при круто поднимающейся начальной (левой) части кривой момента М = f (s) асинхронный двигатель обладает жесткой механической характеристикой, т. е. при изменении нагрузки скорость вращения двигателя изменяется мало. Все нормальные асинхронные двигатели строятся с жесткой механической характеристикой, когда

относительно малы.

КРУГОВАЯ ДИАГРАММА

При изменении нагрузки асинхронной машины ее первичный I1 и вторичный токи изменяются по величине и по фазе. При U1 = const и f =const режим работы и величина нагрузки асинхронной машины однозначно определяются величиной ее скольжения s. При изменении скольжения в пределах от + до - конец вектора тока описывает непрерывную замкнутую кривую, которая называется геометрическим местом этого тока. При постоянных параметрах

геометрическим местом концов векторов тока является окружность, которая вместе с некоторыми другими построениями называется круговой диаграммой асинхронной машины.

Круговая диаграмма позволяет определить все электромагнитные величины, характеризующие режим работы машины при любом значении скольжения, и дает наглядное представление об изменении этих величин при изменении режима работы машины. Поэтому она имеет большое методическое значение. Кроме того, она имеет также существенное практическое значение для изучения режимов работы асинхронных машин в случаях, когда их параметры можно принять постоянными.

Прямая сопротивлений вторичной цепи.

Круговую диаграмму асинхронной машины удобно рассматривать на основе Г-образной схемы замещения

Исследуем сначала геометрическое место вторичного тока

где

Изобразим по уравнению на комплексной плоскости (левая сторона рис.) комплекс сопротивления = f (s).

ПРЯМОЙ ПУСК

При рассмотрении возможных способов пуска в ход асинхронных двигателей необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой

момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения; 2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и. стоимость пусковых устройств—малыми.

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Подробно динамика движения электропривода и энергетические соотношения при пуске рассматриваются в курсах электропривода. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Двигатели мощностью 3—10 кет в обычных условиях допускают до 5—10 включений в час.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще по устройству и обслуживанию, а также дешевле и надежнее в работе, чем двигатели с фазным ротором.

Поэтому всюду, где это возможно, применяются двигатели с короткозамкнутым ротором и подавляющее большинство находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями с короткозамкнутым ротором.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в есть, па номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым.

При этом пусковой ток двигателя Iп=(4—7,0)Iн.

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются с таким расчетом, чтобы они по величине возникающих при пуске электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск. Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10—15%). Современные энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные подстанции обычно имеют такие мощности, что в подавляющем большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных двигателей.

Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором поэтому является прямой пуск.

Нередко таким образом осуществляется пуск двигателей мощностью в тысячи киловатт.

Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применяются различные способы пуска двигателя при пониженном напряжении. Однако при этом пропорционально квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату пускового тока двигателя понижается также пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном напряжении.

Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще всего у мощных высоковольтных двигателей.

Реакторный пуск

Реакторный пуск осуществляется согласно схеме. Сначала включается выключатель В1, и двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку) Р,

сопротивление которого Хр ограничивает величину пускового тока. По достижении нормальной скорости вращения включается выключатель В2, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети.

Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердечником и рассчитываются по нагреву только на кратковременную работу, что позволяет снизить их вес и стоимость. Для весьма мощных двигателей применяются также реакторы без ферромагнитного сердечника, с обмотками, укрепленными на бетонном каркасе. Выключатель В1 выбирается на такую отключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель В2 может иметь низкую отключающую мощность.

Если составляющие сопротивления короткого замыкания двигателя равны и то начальный пусковой ток при прямом пуске

а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротивлением реактора,

Следовательно, при реакторном пуске начальный пусковой ток уменьшается в

раз. Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах двигателя в начальный момент пуска. Начальный пусковой момент при реакторном пуске Mп.р уменьшается по сравнению с моментом при прямом пуске Мп.п в

раз.

В приведенных соотношениях не учитывается изменение величины xk при изменении величины пускового тока. При необходимости нетрудно учесть это изменение.

АвтотрансформаторныЙ пуск

Автотрансформаторный пуск осуществляется по схеме (рис 1.) в следующем порядке. Сначала включаются выключатели В1 и В2, и на двигатель через автотрансформатор AT подается пониженное напряжение. После достижения двигателем определенной скорости выключатель В2 отключается, и двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора AT, который в этом случае работает как реактор. Наконец включается выключатель В3, в результате чего двигатель получает полное напряжение.

Выключатель В1 должен быть выбран на отключающую мощность при коротком замыкании, а выключатели В2 и ВЗ могут иметь меньшие отключающие мощности. Пусковые автотрансформаторы рассчитываются на кратковременную работу. Согласно ГОСТ 3211—46, пусковые автотрансформаторы должны иметь ответвления, соответствующие величинам вторичного напряжения, равным 73, 64 и 55% от первичного при прямой схеме включения и 45, 36 и 27% при

Рис 1.

Рис 2.

обратной схеме включения (рис. 2). В каждом конкретном случае выбирается подходящая ступень напряжения.

Если пусковой автотрансформатор понижает пусковое напряжение двигателя в kат раз, то пусковой ток в двигателе или на стороне НН

автотрансформатора Iп.д уменьшается также в kат раз, а пусковой ток на стороне ВН автотрансформатора или в сети Iп.с уменьшается в раз. Пусковой момент Mп, пропорциональный квадрату напряжения на зажимах двигателя, уменьшается также в раз.

Таким образом, при автотрансформаторном пуске Мп и Iп.с уменьшаются в одинаковое число раз. В то же время при реакторном пуске пусковой ток двигателей Iп.д является также пусковым током в сети Iп.с и пусковой момент Мп уменьшается быстрее пускового тока (в квадратичном отношении). Поэтому при одинаковых величинах Iп.с при автотрансформаторном пуске пусковой момент будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры. Поэтому автотрансформаторный пуск применяется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового момента.

Схемы замещения асинхронной машины

Т - образная схема замещения.

Напряжение на зажимах 1 и 2 намагничивающей цепи

Схема 1.

Схема замещения не учитывает магнитных потерь в сердечниках машины.

откуда

или

причем . В результате вместо схемы 1 получим схему 2, которая в несколько ином виде представлена па схеме 3.

Схема 2.

Схема 3.

При этом

и выделено добавочное сопротивление