Асинхронные двигатели получили в промышленности весьма широкое применение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Асинхронный двигатель прост и надежен в эксплуатации, так как не имеет коллектора; асинхронные двигатели дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.
Для вывода уравнения механической характеристики асинхронного двигателя можно воспользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 4.11, где приняты следующие обозначения:
- первичное фазное напряжение; 
- приведенный ток ротора;
и
- первичное и вторичное приведенные реактивные сопротивления рассеяния;
и
- активное и реактивное сопротивления контура намагничивания;
- скольжение двигателя;
и
- первичное и вторичное приведенные активные сопротивления;
- частота сети;
- число пар полюсов. 
Рис. 4.11 Упрощенная схема замещения асинхронного двигателя
В соответствии с приведенной схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока
Момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь 
, откуда
(4.29)
Подставляя значение тока 
в (4.29), получаем:
(4.30)
Кривая момента 
имеет два максимума: один - в генераторном режиме, другой - в двигательном.
Приравнивая 
, при котором двигатель развивает максимальный (критический), момент 
(4.31)
Подставляя значение 
в (4.30), находим выражение для максимального момента
(4.32)
Знак «+» в равенствах (4.31) и (4.32) относится к двигательному режиму (или торможению противовключением), «-» - к генераторному режиму работы параллельно с сетью (при 
).
Если выражение (4.30) разделить на (4.32) и произвести соответствующие преобразования, то можно получить:
(4.33)
где 
- максимальный момент двигателя;
- критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту;
Рис 4.12 Механические характеристики асинхронного двигателя
Здесь следует подчеркнуть весьма важное для практики обстоятельство - влияние изменения напряжения сети на механические характеристики асинхронного двигателя. Как видно из (4.30), при данном скольжении момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатель этого типа чувствителен к колебаниям напряжения сети.
Критическое скольжение и угловая скорость идеального холостого хода не зависят от напряжения.
На рис. 4.12 приведена механическая характеристика асинхронного двигателя. Ее характерные точки:
1) 
;
, при этом скорость двигателя равна синхронной;
2) 
;
, что соответствует номинальной скорости и номинальному моменту;
3) 
- максимальный момент в двигательном режиме;
- начальный пусковой момент; 5) 
- максимальный момент в генераторном режиме работы параллельно с сетью.
При 
двигатель работает в режиме торможения противовключением, при
имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.
Необходимо подчеркнуть, что абсолютные значения 
в двигательном и генераторном параллельно с сетью режимах одинаковы.
Однако из (4.33) следует, что максимальные моменты в двигательном и генераторном режимах различны. В генераторном режиме работы параллельно с сетью максимальный момент по абсолютному значению больше, что следует из соотношения
где 
Если в уравнении (4.33) пренебречь активным сопротивлением статора, то получится формула, более удобная для расчетов (формула Клосса):
; (4.34)
здесь 
;
.
Подставив в выражение (4.34) вместо текущих значений 
их номинальные значения и обозначив кратность максимального момента
через
, получим: 
В последнем выражении перед корнем следует брать знак «+».
Анализ формулы (4.34) показывает, что при 
(нерабочая часть характеристики) получится уравнение гиперболы, если в этом случае пренебречь вторым членом знаменателя в уравнении (4.34), т. е.
, где 
.
Эта часть характеристики практически соответствует лишь пусковым и тормозным режимам.
При малых значениях скольжения (
) для
получится уравнение прямой, если пренебречь первым членом в знаменателе (4.34):
,
или 
; здесь
Эта линейная часть характеристики является ее рабочей частью, на которой двигатель обычно работает в установившемся режиме. На этой же части характеристики находятся точки, соответствующие номинальным данным двигателя: 
,
,
,
.
Статическое падение (перепад) скорости в относительных единицах на естественной механической характеристике асинхронного двигателя при номинальном моменте определяется его номинальным скольжением.
Номинальное скольжение зависит от сопротивления ротора. Наименьшим поминальным скольжением при одинаковой мощности и числе полюсов обладают обычно двигатели с короткозамкнутым ротором нормального исполнения. У этих двигателей в силу конструктивных особенностей сопротивление ротора имеет относительно небольшое значение, что ведет к уменьшению значений критического скольжения 
(4.31) и номинального скольжения
. По тем же причинам при увеличении мощности двигателя уменьшается его номинальное скольжение и растет жесткость естественной характеристики. Последнее иллюстрируется кривой рис. 4.13, построенной по средним данным для двигателей разной мощности.
Рис. 4.13 Кривая номинального скольжения для асинхронных двигателей разной мощности
Максимальный момент, как это видно из (4.32), не зависит от активного сопротивления ротора 
; критическое же скольжение согласно (4.31) увеличивается по мере увеличения сопротивления ротора. Вследствие этого у двигателей с фазным ротором при введении резисторов в цепь ротора максимум кривой момента смещается в сторону больших скольжений. Значение сопротивления
, необходимое для построения естественной и реостатных характеристик двигателя с фазным ротором, определяется из выражения
где 
,
- линейное напряжение при неподвижном роторе и номинальный ток ротора.
На рис. 4.14 приведено семейство реостатных характеристик в двигательном режиме в координатных осях М и 
для различных значений сопротивлений роторной цепи. С известным приближением реостатные характеристики в рабочей их части могут быть приняты линейными. Это дает возможность при расчете сопротивлений резисторов, включаемых в роторную цепь асинхронного двигателя, пользоваться методами, аналогичными методам, применяемым
Рис. 4.14 Естественная и реостатные механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором
для расчета сопротивления цепи якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Некоторая неточность в определение сопротивления резистора вносится при этом за счет того, что характеристика асинхронного двигателя на участке графика от 
до максимального момента при пуске считается линейной.
Более точным является метод, когда спрямление характеристик производится на меньшем участке. Кратность максимального момента 
должна быть у двигателей нормального исполнения с фазным ротором не ниже 1,8, а у двигателей с короткозамкнутым ротором не ниже 1,7. Крановые двигатели отличаются более высокой кратностью максимального момента. Например, для двигателей с короткозамкнутым ротором серии МТК
. Двигатели с фазным ротором упомянутых серий имеют приблизительно те же величины
.
Для двигателей с короткозамкнутым ротором существенное значение с точки зрения электропривода имеют кратности начального пускового момента и начального пускового тока.
На рис. 4.15 представлены примерные естественные характеристики двигателя с нормальным короткозамкнутым ротором, имеющим круглые пазы. Эти характеристики показывают, что двигатель с короткозамкнутым ротором, потребляя из сети весьма большой ток, имеет сравнительно
низкий начальный пусковой момент. Кратность начального пускового момента двигателей
а для крановых двигателей 
Кратность пускового тока 
Рис. 4.15 Характеристики 
и
для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с круглыми пазами
Отсутствие пропорциональности между моментом двигателя и током статора во время пуска (рис. 4.15) объясняется значительным снижением магнитного потока двигателя, а также уменьшением коэффициента мощности вторичной цепи при пуске.
Момент асинхронного двигателя, как и любой электрической машины, пропорционален магнитному потоку Ф и активной составляющей вторичного тока
(4.35)
где 
- конструктивная постоянная асинхронного двигателя;
- угол сдвига между ЭДС и током ротора;
. (4.36)
При увеличении скольжения растет ЭДС ротора 
возрастает ток ротора
в соответствии с (4.28), асимптотически стремясь к некоторому предельному значению, а
с ростом
уменьшается (на рабочем участке характеристики очень мало), асимптотически стремясь к нулю при
. Поток двигателя также не остается неизменным, уменьшаясь при возрастании тока из-за падения напряжения на сопротивлениях обмотки статора. Все это и обусловливает отсутствие пропорциональности между током и моментом двигателя.
Для повышения начального пускового момента и снижения пускового тока применяются двигатели с короткозамкнутым ротором специальных конструкций. Роторы электродвигателей имеют две клетки, расположенные концентрически, или глубокие пазы с высокими и узкими стержнями.
Рис. 4.16 Механические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с провалом при малых угловых скоростях
Сопротивление ротора этих двигателей в пусковой период значительно больше, чем при номинальной скорости, вследствие поверхностного эффекта, обусловленного повышенной частотой тока в роторе при больших скольжениях. Поэтому при переходе к двигателям с глубоким пазом или двойной обмоткой ротора существенно увеличивается кратность пускового момента (увеличивается 
и поток) и снижается кратность пускового тока. Правда, в этом случае несколько уменьшаются коэффициент мощности и КПД, соответствующие номинальной нагрузке.
Необходимо отметить, что у двигателей с короткозамкнутым ротором пусковой момент практически не всегда является наименьшим значением момента в области двигательного режима. Как видно из рис. 4.16, механическая характеристика двигателя с короткозамкнутым ротором иногда при малых угловых скоростях имеет провал, вызванный влиянием высших гармоник зубцовых полей. Это обстоятельство следует учитывать при пуске двигателя под нагрузкой.
У двигателей с фазным ротором начальный пусковой момент увеличивается по мере возрастания до известных пределов сопротивления резистора (рис. 4.14), а пусковой ток при увеличении сопротивления уменьшается. Начальный пусковой момент может быть доведен до максимального момента. С дальнейшим ростом сопротивления роторной цепи увеличение 
уже не компенсирует уменьшения тока ротора и пусковой момент уменьшается.
studfiles.net
Особенности расчета искусственных механических характеристик асинхронного двигателя состоят в следующем.
При изменении напряжения питания критическое скольжение и соответствующая ему частота вращения асинхронного двигателя остаются такими же, как при работе двигателя в естественном режиме. Электромагнитный момент M асинхронного двигателя, как следует из его математического выражения, прямо пропорционален напряжению питания во второй степени. Поэтому значенияМи для построения искусственной механической характеристики можно определить по результатам расчета естественной механической характеристики, используя следующее соотношение:
|
| U1 |
| 2 | |
Mи | M k2 M. | ||||
|
| ||||
| U | ||||
| U1н |
| |||
Механические характеристики при изменении напряжения питания асинхронного двигателя приведены на рис. 7, 8.
Увеличение активного сопротивления фазной обмотки ротора
асинхронного двигателя до R 2и =kR2R 2 приводит к пропорциональному возрастанию критического скольжения:
sк.и | R2и | |
| . | |
R12 X1 X2 2 | ||
Электромагнитный момент двигателя при измененном активном сопротивлении обмотки ротора вычисляют по формуле
Mи | 3U12н pR2и |
| . | |
2 f1нs R1 R2и s2 | X1 | X22 | ||
|
|
|
| |
При расчете этой искусственной механической характеристики рекомендуется задаться значениями скольжения s = 0;sн; 4sн;sки; 0,6; 0,8; 1,0. Влияние активного сопротивления фазных обмоток ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя показано на рис. 9.
Рис. 9
При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты напряжения питания по закону U1 /f1 = const критическое скольжение двигателя находят из выражения
sк.и | R2 | , |
R12 k2f X1 X2 2 |
т. е. с уменьшением частоты питающего напряжения критическое скольжение возрастает, а с увеличением частоты — уменьшается.
Расчет электромагнитного момента двигателя проводят с учетом того, что при рассматриваемом способе его регулирования
U1 | U1нkU | U1н const, |
f1 | f1нkf | f1н |
т. е. kU =kf. На основании этого соотношение (1) для электромагнитного момента асинхронного двигателя принимает следующий вид:
Mи | 3U12н pR2kf |
|
| . | |
2 f1нs R1 R2 s2 | k 2f | X1 | X22 | ||
|
|
|
|
| |
При расчете этой искусственной механической характеристики электродвигателя рекомендуется задаться значениями скольжения
s= 0; sн; 1,5sн;sк.и; 0,6; 0,8; 1,0. Частота вращения магнитного поля
вдвигателе зависит от частоты напряжения питания и будет
n1и60 f1нk f , p
а частота вращения его ротора
n2иn1и1 s .
Механические характеристики асинхронного двигателя при рассматриваемом способе регулирования его частоты вращения приведены на рис. 10.
Рис. 10
Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют графические изображения зависимостейn2,M,I1, cos ,P1,
= f (P2) приU1 = const иf1 = const. ПриU1 =U1н иf1 =f1н эти ха-
рактеристики являются естественными.
Расчет естественных рабочих характеристик асинхронного двигателя рекомендуется выполнять для значений скольжения s = =sх; 0,5sн;sн; 1,5sн. При этом следует учесть, что соответствующие этим скольжениям электромагнитный моментМ и частота вращенияn2 асинхронного двигателя, кроме значений этих параметров при его холостом ходе сs =sх, рассчитывают при выполнении п. 2 задания (см. разд. 1). Для определения значений других величин, входящих в состав рабочих характеристик двигателя, необходимо использовать егоГ-образнуюсхему замещения, изображенную на рис. 4. На основании первого закона Кирхгофа для этой схемы имеем
I1I1хI2.
Токи в параллельных ветвях схемы замещения асинхронного двигателя рассчитывают по формулам
| I1х |
| U1 |
| I1х.аjI1х.р; | (2) | |
| Rх jXх | ||||||
I2 |
|
| U1 |
|
| I2аjI2р, | (3) |
R1R2 | s | j X1 X2 | |||||
где I1х.а,I1х.р — активная и реактивная составляющие тока намагничивания, т. е. тока идеального холостого хода электродвигателя;
I2а ,I2р — приведенные к обмотке статора активная и реактивная
составляющие тока обмотки ротора электродвигателя. В итоге фазный ток асинхронного двигателя будет
I1I1х.аI2аj I1х.рI2рI1аjI1р,
а его действующее значение
I1 I12аI12р.
Коэффициент мощности асинхронного двигателя может быть определен по формуле
cos I1а .
I1
Правомерность применения этой формулы для расчета cos асинхронного двигателя поясняет векторная диаграмма фазных напря-
жения и тока, приведенная на рис. 11. |
|
|
| ||||||||||
Потребляемую двигателем из |
|
|
| ||||||||||
сети | мощность вычисляют | по |
|
|
| ||||||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
| P13U1I1cos. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
Развиваемая двигателем меха- |
|
|
|
| |||||||||
|
|
|
| ||||||||||
ническая мощность на основании |
|
| Рис. 11 | ||||||||||
схемы замещения будет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
|
| Pмех3I 2 R2 | 1 s | , |
|
| |||||||
|
|
|
|
|
|
| |||||||
|
|
|
| 2 |
| s |
|
|
| ||||
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||
где I | 2 I 2 | I 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
2 | 2а | 2р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Для расчета КПД двигателя используют выражение | |||||||||||||
|
|
| P2 |
| P1 P | , |
|
| |||||
|
| P1 |
|
|
| ||||||||
|
|
|
| P1 |
|
|
| ||||||
где P2 — полезная механическая мощность на валу двигателя;P — потери мощности в двигателе.
Потери мощности P, возникающие в асинхронном двигателе при преобразовании электрической энергии в механическую, рассеиваются в двигателе и приводят к его нагреву:
P PперPпост,
где Pпер — переменные потери мощности в двигателе;Pпост — постоянные потери мощности в двигателе.
Переменные потери мощности зависят от нагрузки двигателя, т. е. от тока двигателя. В них входят мощность потерь в обмотке
статора Рэ1, мощность потерь в обмотке ротораРэ2 и мощность добавочных потерьPд:
PперPэ1Pэ2Pд.
Из схемы замещения асинхронного двигателя (см. рис. 4) следует
Pэ1 | 3R1I2 | ; |
| |
| 2 |
| (4) | |
Pэ2 | 3R2 I2 . | |||
| ||||
| 2 |
|
| |
Добавочные потери мощности Pд возникают в обмотках двигателя и обусловлены зубчатостью статора и ротора, а также несинусоидальным распределением магнитной индукции в воздушном зазоре двигателя. Эти потери мощности пропорциональны квадрату фазного тока двигателя и составляют 0,5…1 % от номинальной мощности потерьPн, поэтому ими при расчете КПД асинхронного двигателя допустимо пренебречь.
К постоянным потерям мощности асинхронного двигателя, не изменяющимся от нагрузки, при U1 =U1н иf1 =f1н можно отнести мощность потерь в сталиРст и мощность механических потерьРмех. Общая мощность этого вида потерь составляет
PпостPстPмех.
Мощность потерь Рст определяется в основном потерями изза гистерезиса и вихревых токов в сердечнике статора, так как подобные потери мощности в сердечнике ротора в связи с малой частотой тока обмотки ротораf2 = 1…3 Гц в рабочем режиме асинхронного двигателя пренебрежимо малы. Тогда на основании схемы замещения асинхронного двигателя (см. рис. 4) имеем
Мощность механических потерь Рмех обусловлена силами трения в подшипниках, ротора о воздух и вентиляционными потерями. Она определяется приноминальном режиме работы асинхронного двигателя. Для этого по формулам(2)–(5)приU1 =U1н иs =sн с использованиемпараметров схемы замещения асинхрон-
ного двигателя в следующей последовательности рассчитывают: I1х — ток идеального холостого хода двигателя;
I2н — номинальный приведенный ток обмотки ротора;
Pэ1н,Pэ2н — номинальная мощность потерь статора и ротора соответственно;
Pст — мощность потерь в стали.
Затем по паспортным даннымопределяют номинальную по-
требляемую мощность асинхронного электродвигателя
P1нP2н
н
и номинальную мощность потерь
PнP1нP2н.
В результате мощность механических потерь будет
PмехPнPэ1нPэ2нPст.
Полезная механическая мощность асинхронного двигателя Р2 меньше развиваемой им механической мощностиРмех на величину мощности механических потерь
P2PмехPмех.
Механическим потерям мощности Рмех в двигателе соответствует приложенный к его валу момент трения
M 30 Pмех . тр n2н
Для преодоления момента трения Мтр асинхронный двигатель должен развивать равный ему электромагнитный момент. Поэтому скольжение асинхронного двигателя при работе в режиме реального холостого ходаsх > 0. Принимая во внимание, что зависимость скольжения асинхронного двигателя от его электромагнитного
момента при 0 М Мн практически линейная, значение скольженияsх определяют из соотношения
sхM тр sр,
Mр
где sр,Мр — скольжение и соответствующий ему электромагнитный момент асинхронного двигателя в реперной (опорной) точке механической характеристики.
Выбор значения скольжения sр, по которому рассчитывают моментМр, осуществляется в диапазоне 0,1sн sр 0,5sн. При этом
studfiles.net
Формулы для искусственных характеристик отличаются от естественных, тем что вместо активного сопротивления фазы ротора R2используется полное сопротивлениеR2линия фазы ротора. Все приведенные выше формулы для асинхронного двигателя являются универсальными и могут использоваться для построения как естественных электромеханических и механических характеристик так и искусственных.
Рассмотрим, как зависит от активного сопротивления линия ротора критического скольжения:
- естественная;
- искусственная.
.
Из 
, гдеaSk=const,Mk=constвидно, что моменты будут одинаковы, когда существуют следующие соотношения скольжения.
;
.
Таким образом, при любых одинаковых моментах для искусственной и естественной характеристики асинхронного двигателя, скольжение на искусственной характеристики во столько раз больше, чем на естественной во сколько R’2R’2.
Для номинального момента:
;
.
На прямолинейном участке механической характеристики можно записать следующие соотношения:
;
, Se– текущее состояние.
;
;
.
Синхронный двигатель применяется для приводов механизмов, скорость которых не регулируется. Синхронный двигатель имеет достаточно высокий cos, КПД, обладает повышенной надежностью, вследствии значительного воздушного зазора между статором и ротором двигателя. Синхронный двигатель чаще всего используется в установках с длительным режимом работы, особенно для приводов большой мощности. Двигатель применяется для привода компрессора и насосов, как двигатель-генератор, для приводов средней мощности бумажной и цементной промышленности и т.д.
В настоящее время в связи с развитием полупроводниковых технологий появился регулируемый электропривод на базе синхронного двигателя, где регулирование производится изменением частоты питающего напряжения.
На статоре вложена трехфазная обмотка, на роторе обмотка возбуждения и пусковая обмотка. При пуске обмотку возбуждения включают на разрядное сопротивление Rр. При достижении скорости0,95w0подается возбуждение и включаетсяRр. Двигатель втягивается в синхронизм.Rр=(510)Rов.
Если взять Rр достаточно большим, то в обмотке возбуждения наблюдается большие перенапряжения, если взять - малым, то искажается пусковая характеристика синхронного двигателя. Пусковая характеристика от обмотки «беличья клетка» аналогична асинхронному двигателю.
Синхронный двигатель выполнен с пусковыми клетками двух типов, что позволяет получить различные характеристики необходимые для различных механизмов.
Для второй характеристики, вследствие повышения активного сопротивления «беличьей клетки», соответствует наибольший пусковой момент. Но ей соответствует большее скольжение при номинальном моменте, что затрудняет вхождение в синхронизм. Двигатель с такой пусковой характеристикой применяется для механизмов с большим пусковым моментом.
Первая характеристика используется для механизмов при вентиляторном моменте.
Устойчивость системы синхронного двигателя характеризуется угловой характеристикой или зависимостью момента от угла внутреннего сдвига фаз между вектором ЭДС и напряжением сети.
н=(2530)эл. град. – номинальнаяL нагрузки.
Устойчивая область работы двигателя от 0до/2.
Векторная диаграмма:
Из ОВЕиОАЕ:ОЕ=Uccos=Ecos(-).
Из ОАСиАВС:АС=Ucsin=IcXccos(-).
;
;
;
- при900.
.
Анализ зависимостей момента от показывает, что асинхронный двигатель менее чувствителен к снижению напряжения, чем синхронный двигатель.
Наибольшее значение момента, характеризующего перегрузочную способность синхронного двигателя, наблюдается при угле согласования =/2. При этом будет максимальный момент
.
Вместе с тем важной характеристикой работы синхронного двигателя является величина угла рассогласования, который находится в пределах 300-250=н. Этот угол характеризует двигательный режим работы двигателя по условиям нагрева.
Для повышения устойчивости работы синхронного двигателя при ударных нагрузках применяют автоматическое поддержание ЭДС двигателя за счет перевозбуждения двигателя.
Для неявнополюсной машины момент при синхронной скорости может возникнуть только при наличии тока в обмотке возбуждения при явнополюсной машине, момент возникает и без возбуждения синхронного двигателя. Здесь возникает реактивный момент, который старается так повернуть полюса машины, чтобы сохранить минимальным магнитное сопротивление по продольной оси.
Синхронный двигатель отличается от другой машины тем, что с его помощью можно регулировать потребление реактивной энергии. Это объясняется тем, что если принять активное сопротивление статора равным нулю, то ЭДС двигателя без нагрузки будет равна напряжению сети. Она определяется результирующим магнитным полем, намагничивающих сил статора и намагничивающих сил обмотки возбуждения, и, в этом случае когда ток возбуждения отсутствует, весь поток создается статором, синхронный двигатель потребляет реактивный ток и тот отстает от напряжения сети на 900. Если машину возбудить, то часть результирующих намагничивающих сил будет создана обмоткой возбуждения и тогда намагничивающий ток статора, а следовательно и потребляемая энергия из сети уменьшится. Дальнейшее увеличение возбуждения двигателя приведет к размагничиванию магнитной системы двигателя.
Перевозбуждение машины заставляет работать двигатель в емкостном квадранте, работать генератором реактивной энергии. Синхронный двигатель характеризуется U-образными характеристиками, это зависимость полного тока статора от тока возбуждения при различных нагрузках.
Кривая II– характеризует границу устойчивости статической работы двигателя.
Кривая I– регулировочная характеристика двигателя приcos=1.
Кривая III– соответствует верхней границе возбуждения двигателя по условиям нагрева двигателя и самораскачивания.
Синхронный двигатель может работать в тех же тормозных режимах, что и асинхронный и другие двигатели, т.е. режим с рекуперацией энергии в сеть, режим динамического торможения и режим противовключения.
1)
2)
Торможение противовключением. В этом случае происходит изменение чередования фаз, обмотка возбуждения закорачивается на разрядное сопротивление.
studfiles.net
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosφн= 0,85, ηн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8.
Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.
Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети
P1н =Pн / ηн = 14 / 0,88 = 16 кВт.
Номинальный ток, потребляемый из сети
Число пар полюсов
p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3,
где n1 = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 960 об/мин.
Номинальное скольжение
sн = (n1 - nн) / n1 = (1000 - 960 ) / 1000 = 0,04
Номинальный момент на валу двигателя
Критический момент
Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н•м.
Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.
Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 - s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н•м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н•м.
Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим
По полученным данным строят механическую характеристикудвигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.
Скорость вращения асинхронного двигателя определяется зависимостью
.
Следовательно, ее можно регулировать, изменяя 
питающего напряжения, число пар полюсов 
и величину скольжения 
. Последнее можно осуществить изменяя 
и 
.
Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Применяемые ранее электромашинные преобразователи частоты очень громоздки, сложны в эксплуатации и дороги. Поэтому они практически полностью вытеснены полупроводниковыми преобразователями частоты, которые в настоящее время обеспечивают достаточную надежность в работе. При применении этого способа регулирования необходимо обеспечить (при изменении частоты питающей сети и питающего напряжения) постоянство потока намагничивания асинхронной машины.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов позволяет получить ступенчатое изменение скорости вращения. Для двукратного изменения скорости отдельные катушки, составляющие данную фазу, переключаются с последовательного согласного соединения на встречное или с последовательного на параллельное. Обмотку ротора в этом случае выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или четыре скорости, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две скорости. Асинхронные электродвигатели с переключением числа пар полюсов называются многоскоростными. Недостатки этого способа регулирования скорости вращения: большие габариты и вес по сравнению с двигателями нормального исполнения, а, следовательно, и большая стоимость; большая величина ступеней регулирования (при частоте 50 Гц скорость вращения поля n, при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750).
Регулирование путем включения в цепь ротора добавочных сопротивлений. Этот способ применяется для двигателей с фазовым ротором, он позволяет плавно изменять скорость вращения двигателя.
Недостатки: плохие энергетические характеристики асинхронной машины и чрезмерно "мягкая" механическая характеристика машины, что в некоторых случаях (при пульсациях нагрузочного момента) недопустимо.
Регулирование путем изменения питающего напряжения. Для двигателей нормального исполнения этот метод неприменим, т.к. пропорционально квадрату уменьшения напряжения питающей сети уменьшается величина момента двигателя. Он применяется для двигателей малой мощности, которые имеют значительные активные сопротивления роторной обмотки, т.к. в этом случае скольжение 
резко возрастает и максимум момента сдвигается в зону близкую 
и даже в область 
. Снижение КПД двигателя, связанное с увеличением потерь мощности 
для этих типов двигателей не имеет существенного значения.
Синхронный генератор конструктивно сложнее, например, у него на роторе находятся катушки индуктивности. Асинхронный генератор устроен гораздо проще - его ротор напоминает обычный маховик. Как следствие, среднестатистический асинхронный генератор лучше защищен от попадания влаги и грязи (говорят что он имеет закрытую конструкцию) и тут самое время вспомнить о классе защиты. Он обозначается двумя буквами (IP) и двумя цифрами. Первая цифра означает:
"2" защита от касания пальцами и от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 12 мм;"4" защита от касания инструментом пальцами или проволокой диаметром более 1 мм, защита от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 1 мм;"5" полная защита от касания вспомогательными средствами любого типа и от проникновения пыли.Вторая цифра:"3" защита от струй воды падающих под углом до 60 градусов от вертикали;"4" защита от струй воды падающих под любым углом;
Самый основной недостаток синхронного генератора - низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.
- для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%
- коэффициент нелинейных искажений 13-25% IP23 и 3-10% IP54 (в зависимости от производителя)
Синхронные генераторы, как правило, соответствуют классу IP 23, тогда как асинхронные IP 54. Впрочем, в последнее время практически у всех ведущих производителей появились инновационные синхронные агрегаты удовлетворяющие IP 54.
К сожалению асинхронники тоже не лишены недостатков. Способность «проглатывать» пусковые перегрузки ниже, чем у синхронных генераторов.
Асинхронный генератор (IP54) вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные генераторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.
- для трёхфазных асинхронных генераторов допустимый перекос фаз 60-70%
- коэффициент нелинейных искажений 2-3%
Синхронные и асинхронные генераторы отличаются своими возможностями. Мнения специалистов тут расходятся (каждый естественно хвалит своё оборудование), но в среднем, всё выглядит примерно следующим образом:- синхронные альтернаторы легче переносят пусковые перегрузки и вырабатывают более чистый ток;- в силу простоты конструкции, асинхронные альтернаторы более устойчивы к короткому замыканию, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.
Впрочем, в настоящее время существует множество способов улучшить выходные параметры мини электростанций. В частности, асинхронный генератор, оборудованный стартовым усилителем, способен справиться с пусковыми перегрузками, а качество выдаваемого электричества может быть повышено подключением AVR (автоматического регулятора напряжения). Кстати, на стабильность напряжения оказывает влияние и класс двигателя, а именно его способность поддерживать постоянные обороты (как правило, 3000) при изменениях нагрузки.
Синхронные генераторы обеспечивают поддержание напряжения в сети с высокой точностью (колебания в пределах 5%), поэтому позволяют подключать к ним аппаратуру чувствительную к перепадам напряжения, например, компьютеры, телевизоры и другие электронные устройства. Кроме того, такие генераторы без проблем справляются с энергоснабжением электроинструментов и электродвигателей, с реактивной нагрузкой до 65% от своего номинала.
Асинхронные генераторы менее точны: они поддерживают напряжение постоянным с точностью 10%, поэтому их нельзя применять для питания высокоточной аппаратуры (Hi-Fi техники и пр.). Подобные генераторы позволяют подключать к ним электроинструменты и электродвигатели с реактивной мощностью до 30% от номинала.
Наконец в качестве конструктивного исполнения более предпочтительны генераторы не оборудованные щетками (так называемые brush-less бесщеточные), так как они не требуют обслуживания и не создают помех
26. Устройство и принцип работы синхронного эл. двигателя. Реакция якоря. Угловая характеристика. Пуск.
Синхронный двигатель.Принцип действия и устройство.Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-
Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя
няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.
Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Фв). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего момента Мвн. Максимум момента Мmaxсоответствует углу ? = 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.
Если нагрузочный момент Мвн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше Мmax, то двигатель под действием внешнего момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.
При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.
Пуск в ход и регулирование частоты вращения.Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка
Рис. 292. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах
Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;
Рис. 294 Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — стержни; 3 — кольцо; 4 — обмотка возбуждения
Остальные ответы в 28 вопросе
27. Устройство и принцип работы ДПТ.
Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.
Рисунок 1 – Машина постоянного тока: I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник 
Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока: а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение. Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки. 
Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту. Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде 'ласточкина хвоста', которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность 'ласточкина хвоста', при втором — на 'ласточкин хвост' и конец пластины. Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы. В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются 'петушками'. В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца. Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа. Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик. В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины. Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые. Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах. 
Рисунок 4 – Щетки: а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения. В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса
28. Пуск синхронного эл. двигателя. Реакция якоря. Угловая характеристика.
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.
 |
| Рис. 6.48. Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (о) и схемы его асинхронного пуска (б и в): 1 - обмотка возбуждения; 2 - пусковая обмотка; 3 - ротор; 4 - обмотка якоря; 5 - гасящее сопротивление; 6 - якорь возбудителя; 7 - кольца и щетки |
В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Евможет 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.
Одноосный эффект.Для анализа этого явления предположим сначала, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуцируется ЭДС с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр . Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора пр =±60f2/р = ±60f1s/p = ±n1s.Относительно статора прямое поле вращается с частотой
(6.46)
nр.пр = n2 + np = n1(1 - s) + n1s = n1 ,
где n2 = n1(1 - s) — частота вращения ротора.
Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 6.49, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой
(6.47)
пр.обр = n2 - n1 = n1(1 - s) - n1s = n1(1 - 2s).
При частотах вращения ротора n2 < 0,5n1, т. е. при s > 0,5, обратное поле, как видно из формулы (6.47), перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1, это поле неподвижно относительно статора; при n2 > 0,5 (т. е. при s < 0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.
 |
| Рис. 6.49. Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя |
В обмотке статора обратным полем индуцируется ЭДС с частотой f1(1 — 2s), для которой обмотка статора является короткозамкнутой. При этом по обмотке статора проходит соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Мо6р . Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.обр относительно статора, то из формулы (6.47) следует, что он является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис. 6.49, кривая 3).
Таким образом, ток, индуцируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5 n1, является ускоряющим, а при большей частоте вращения — тормозящим.
Особенно резко проявляется действие обратного поля при n ≈ 0,5n1.
Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4).Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 6.48, б) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искренне щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в Случае небольшого нагрузочного момента — не более 50 % от Номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.
Для синхронного двигателя можно написать такие же по виду выражения мощностей, как и для синхронного генератора. Однако применительно к двигателю они будут иметь иные значения.
У двигателя Pφ = 3UI cos φ представляет собой мощность, потребляемую им из трехфазной сети. Вычитая из этой мощности потери мощности в обмотке якоря, получаем электромагнитную мощность, т. е. мощность, преобразуемую из электрической в механическую, развиваемую вращающимся ротором:
Pэм = Pψ - ΔРя = 3UI cos φ - 3I2r = 3E0I cos ψ.
Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен через мощность Рэм и угловую скорость ω = πn/30 ротора:
М = Рэм/ω.
Заменив мощность Рэм ее выражением, получим
(11,13)
Если из точки А векторной диаграммы (рис. 11.9, а) опустить перпендикуляр АГ на линию ОВ, то можно получить следующее равенство:
I cos ψ = U sin θ/xc .
Заменив I cos ψ в (11.13) его выражением, получим
(11,14)
Как видно, при постоянных значениях U, Е, ω и хс момент двигателя прямо пропорционален sin θ. Зависимость М (θ) называется угловой характеристикой синхронного двигателя и приведена на рис. 11.10 в первом квадранте.
В пределах от θ = 0 до θ = 90° расположена устойчивая часть характеристики, называемая так потому, что именно здесь возможна устойчивая работа двигателя с различными моментами сопротивления. Любое изменение момента сопротивления Мс при работе на устойчивой части характеристики приводит к такому изменению момента двигателя М, при котором неизбежно наступает равенство моментов М и Мс . На устойчивой части характеристики расположена точкаА, соответствующая номинальному режиму работы. При номинальном режиме θном = 20 ÷ 30°.
Максимальный момент, который в состоянии развивать двигатель, наступает при θ = 90°:
Если момент сопротивления Мс окажется больше момента Мmax, то двигатель не в состоянии будет его уравновесить и остановится.
Отношение Мmax/Мном называется перегрузочной способностью двигателя и для различных двигателей лежит в пределах 2 — 3,2.
Перегрузочная способность может быть при необходимости увеличена за счет повышения ЭДС Е0. Из выражения максимального момента следует, что последний и, следовательно, перегрузочная способность синхронного двигателя пропорциональны первой степени напряжения в отличие от асинхронного двигателя, у которого она пропорциональна квадрату напряжения. Из этого следует, что синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения, чем асинхронные.
Следует обратить внимание на то, что длительная нагрузка двигателей, превышающая номинальную, недопустима, так как двигатель при этом будет перегреваться. Возможная кратковременная перегрузка должна быть учтена при выборе двигателя по мощности.
 |
| Рис. 11.10. Угловая характеристика синхронного двигателя |
Рассмотрим явления, происходящие при изменении нагрузки двигателя. Допустим, что двигатель работает с моментом М = Мс и углом θ (см. рис. 11.10), чему соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 11.9, а. В результате изменения момента сопротивления, например, от Мс до Мс > Мс происходит кратковременное снижение частоты вращения ротора, что сопровождается соответствующим изменением частоты индуктированной ЭДС Е0 и, следовательно, частоты вращения вектора ЭДС Е0 на векторной диаграмме. В результате этого возратает угол сдвига фаз θ ЭДС Е0 относительно напряжения U и как следствие увеличиваются ток I, падение напряжения Iхc , момент Ми мощности Рφ и Рэм .
Перечисленные величины возрастают до тех пор, пока при некотором угле θ1 (см. рис 11.9, б и 11.10) момент двигателя М1 не сравняется с моментом сопротивленияМс1. При М1 = Мс1 частота вращения ротора снова станет равной частоте вращения поля якоря:
n = n0 = 60f/р.
 | Рис. 11.9. Векторные диаграммы синхронного двигателя |
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
zdamsam.ru
Количество просмотров публикации Механические характеристики асинхронного двигателя. - 197
Зависимость электромагнитного момента от скольжения.
Наибольшее значение для оценки свойств асинхронного двигателя имеет механическая характеристика, представляющая собой графическую зависимость частоты вращения ротора п2от вращающего момента М, т. е. п2 = f(M) или М = f(n2). Иногда эта зависимость выражается в виде M = f(s) или М = f(v), где v = п2/п1 - относительная частота вращения. При этом
(1)
s = (n1 - n2 )/n1 = 1 — v.
Использование понятий относительной частоты вращения и скольжения придает механической характеристике более общий характер. Размещено на реф.рфДля построения механической характеристики можно воспользоваться круговой диаграммой либо формулой
(2)
М = m1U12R'2 /ω1 s[(R1+ C1 R'2 /s)2 + (X1 + C1 X'2 )2],
получаемой из формулы
М = ΔРэл2 /(ω1 s) = m1 I22R'2 /ω1 s
путем подстановки значения тока I'2 из схемы замещения:
I'2 - U1 /√(R1+ C1 R'2 /s)2 + (X1 + C1 X'2 )2
Для машин мощностью более 10 кВт величина С1 ≈ 1 и формула момента приобретают более простой вид:
(2a)
М = m1 U12R'2 /ω1 s[(R1+ R'2 /s)2 + (X1 + X'2 )2].
Задаваясь значениями s, при известных параметрах двигателя можно определить М и построить искомую механическую характеристику.
Механическая характеристика (рис. 1, а и б) имеет максимум момента при частоте вращенияn2 ≈ (0,8 ÷ 0,9) n1; при частоте вращения n2 = n1 момент вращения М = 0, а при n2 = 0 пусковой момент составляет Мп = (0,3 ÷ 0,7) Mmax.
Скольжение, при котором момент имеет максимальное значение (критическое скольжение), можно определить из (2), взяв производную от момента по скольжению dM/ds и приравняв ее нулю.
Решая уравнение относительно s, получаем критическое скольжение:
(3)
sкр = ± C1 R'2 /√R12 + (X1 + C1 X'2 )2.
| |
| Рис. 1. Механическая характеристика асинхронной машины |
В первом приближении, принимая C1 = 1,0 и пренебрегая величиной R1 в знаменателе [так какR1 < (X1 + X'2)], имеем
(3a)
sкр = ± R'2 /(X1 + X'2 ).
Для получения высокого КПД крайне важно снижать величину R2, вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя достигается при относительно высоких частотах вращения. Значение максимального момента получим из (4.46), подставив значение sкр из (3):
(4)
Мmax = ± mU12/{2ω1 C1 [± R1 + √R12 + (X1 + C1 X'2 )2]},
или, приближенно считая С1 = 1и R1 = 0,
(4a)
Мmax ≈ ± m1 U12/[2ω1 /(X1 + X'2 )].
| |
| Рис. 2. Зависимость электромагнитного момента и тока ротора от скольжения |
Знак ʼʼ+ʼʼ относится к двигательному режиму, ʼʼ-ʼʼ - к генераторному.
Из уравнения (4) и круговой диаграммы видно, что максимальный момент не зависит от активного сопротивления ротора. Это сопротивление определяет лишь скольжение при максимальном моменте.
При увеличении скольжения от s = 0 до 1, как следует из круговой диаграммы, ток ротора I'2 монотонно возрастает, в то время как электромагнитный момент М сначала увеличивается с ростом скольжения, достигает максимума при s = sкр, а затем уменьшается, несмотря на возрастание токаI'2 (рис. 2).
Физически это объясняется тем, что в формуле момента М = смФтI2 х cos ψ2 при малых сколь жениях преобладающее влияние имеет возрастание тока I2. При увеличении скольжения свыше sкр ток I2возрастает сравнительно мало и преобладающее влияние оказывает уменьшение cos ψ2, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ происходит вследствие повышения частоты в роторе: f2 = sf1 .
Построение механической характеристики по каталожным данным. На практике широко используют приближенное аналитическое выражение механической характеристики. Электромагнитный момент асинхронного двигателя
(5)
М = ΔРэл2 /(ω1 s) = m2 I22R2 /(ω1 s) =m2 sE22R2 /[ω1 (R22 + s2X22)].
Принимая приближенно E2 ≈ const, т. е. считая, что магнитный поток машины при изменении нагрузки не изменяется, и приравнивая нулю производную dM/ds, полученную из формулы (5), можно найти критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту, sкр = ±R2 /X2 и соответственно максимальный момент
(6)
Мmax = ± т2 E22/(2ω1 X2 ).
Разделив выражение (5) на (6), после преобразования получим
(7)
M/Мmax = 2/(sкр /s + s/sкр ).
Формула (7) является приближенной и, конечно, дает погрешность, так как не учитывает падение напряжения в обмотках статора. Особенно велика погрешность при переходе из двигательного режима в генераторный, где разница в моментах должна быть значительной. При этом для исследования одного режима выведенная формула дает приемлемую точность. Это объясняется тем, что в области малых скольжений от s = 0 до sкр магнитный поток изменяется незначительно и, следовательно, в этой области формула не может дать большой погрешности, тем более, что точки при s = 0 и sкр являются фиксированными.
При скольжениях, близких к единице, формула (7), казалось бы, должна давать завышенные значения момента͵ гак как при больших токах сильнее проявляется падение напряжения в статоре. При этом в реальных машинах при скольжениях, близких к единице, уменьшается сопротивление Х2 из-за явления вытеснения тока в проводниках ротора, что ведет к увеличению момента. В результате оказывается, что погрешность, обусловленная пренебрежением падения напряжения в статоре, и погрешность, вызванная изменением параметров ротора, взаимно противоположны, вследствие чего точность приближенной формулы (7) достаточна для практических целей.
referatwork.ru
