3.11. Статические характеристики асинхронных двигателей. Параметры двигателя асинхронного

3.11. Статические характеристики асинхронных двигателей

Для получения выражений статических характеристик с помощью приведенной на рис. 3.27, бупрощенной схемы замещения определим вначале ток фазы ротора как функцию параметров двигателя:

, (3.73)

где - индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Активная электромагнитная мощность, передаваемая через воздушный зазор ротору двигателя, может быть записана в виде

(3.74)

или же через электромагнитный момент и скорость поля двигателя:

(3.75)

Приравнивая (3.74) и (3.75), получаем уравнение статической механической характеристики двигателя в виде зависимости

. (3.76)

Анализ функции (3.76) показывает, что она имеет точки экстремума; критическое скольжение, соответствующее экстремуму, может быть определено путем дифференцирования (3.76) по sи последующего приравнивания нулю этой производной:

. (3.77)

Подставляя (3.77) в (3.76), получаем выражение критического момента:

. (3.78)

С учетом (3.77) и (3.78) уравнение (3.76) может быть после преобразований представлено в форме так называемой уточненной формулы Клосса:

, (3.79)

Нетрудно видеть, что при механическая характеристика близка к линейной зависимости, а в области больших скольжений () имеет гиперболичес-кий характер:.Приs=sкмомент принимает максимальные значения, причем в двигательном режиме (sк,дв> 0) соответствующее значение критического моментаMк,дв, как это следует из (3.78), меньше, чемМк,гв генераторном режиме(sк,г < 0). С помощью (3.78) можно эту разницу оценить количественно:

, (3.80)

где | sк| — модуль критического скольжения.

В соответствии с изложенным механическая характеристика асинхронного двигателя М=f(s) имеет вид, показанный на рис. 3.28. Для правильного понимания особенностей статических режимов преобразования энергии в асинхронном двигателе полезно установить физические причины, определяющие такой характер зависимости момента двигателя от скольжения. С этой целью получим формулу, связывающую момент двигателяМ, токи результирующий магнитный поток.

Результирующий поток связан с ЭДС двигателя соотношением

. (3.81)

Рис.3.28. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Исходя из выражения электромагнитной мощности, с учетом (3.81) можно записать

. (3.82)

Из (3.82) следует, что зависимость момента от скольжения определяется характером изменений потока, тока ротора и при изменениях скольжения. Зависимостьбыла уже получена [см. (3.73)]. Рассматривая формулу (3.73), можно убедиться, что при возрастании момента в области двигательного режима (s >0) ток ротора монотонно возрастает, стремясь при к асимптоте:. В генераторном режиме (s< 0) легко обнаруживается максимум:

, соответствующий

, причем при

ток ротора стремится к той же асимптоте, что и в двигательном режиме. Соответственно зависимость

имеет вид, показанный на рис. 3.29,а.

Зависимость от скольжения (рис. 3.29,б) можно получить с помощью схемы замещения рис. 3.27,а:

. (3.83)

Следовательно,

при возрастании модуля скольжения монотонно убывает, стремясь при

к нулю, и зависимость его от скольжения имеет вид, показанный на рис. 3.29,б.

Если принять магнитный поток , можно прийти к выводу, что в соответствии с (3.82) момент двигателя при малых скольжениях, гдеизменяется медленно, должен возрастать при увеличении скольжения примерно пропорционально току. В области больших скольжений токприближается к значениюи изменяется мало, при этом момент, как следует из (3.82), должен снижаться примерно по тому же закону, что и

Рис. 3.29. Зависимость тока и от скольжения

Нетрудно видеть, что форма зависимости М =f (s) соответствует изложенному; максимум момента наступает при скольжении, которому соответствует .

В действительности ЭДС Е1и магнитный потокдвигателя при работе в двигательном режиме по мере роста нагрузки и связанного с ним падения напряжения в цепи статора снижаются. Снижение это имеет монотонный характер и добавляется к рассмотренному выше влиянию изменений

, не меняя характера зависимостиМ =f (s). Наличие максимума тока в кривой

в области генераторного режима объясняется тем, что в связи с изменением фазы тока статора и падения напряжения на сопротивленииR1 ЭДС двигателя и поток

в области малых скольжений продолжают возрастать и превышают значения, соответствующие идеальному холостому ходу. При больших скольжениях определяющим становится падение напряжения на сопротивленииx1; здесь ЭДС и поток снижаются аналогично снижению ЭДС и потока в двигательном режиме работы. Этим обусловлены максимум ЭДС и потока в генераторном режиме и соответствующий ему максимум тока ротора. Как следствие, в соответствии с (3.81) максимум момента в генераторном режиме при

больше, чем в двигательном.

Естественная механическая характеристика для асинхронного двигателя с фазным ротором представлена на рис. 3.30,а. Рабочий участок характеристики, соответствующий, обладает высокой жесткостью, модуль которой при |М| < |Мном|

Рис. 3.30. Естественная механическая (а) и электромеханическая (б) характеристики асинхронного двигателя

практически постоянен, а при Мном<М<Мкс возрастанием момента двигателя постепенно уменьшается и пристановится равным нулю. Дальнейшее снижение скорости приводит к уменьшению электромагнитного момента, что соответствует изменению знака статической жесткости

, которая становится положительной. Этот участок характеристики вплоть до

обычно для двигателей с фазным ротором не используется, и форма характеристики в этой области для таких двигателей существенного значения не имеет. Как показано на рис, 3.30,а, двигательному режиму работы соответствуют скольжения отs= 1 доs= 0.

Если ротор двигателя вращать против поля (,s >1), двигатель переходит в тормозной режим противовключения. В этом режиме на естественной характеристике двигателя с фазным ротором поток снижен, весьма мал, поэтому двигатель развивает небольшие значения тормозного момента, потребляя из сети в основном реактивный ток, превышающий номинальный в 5—10 раз. Поэтому режим противовключения на естественной характеристике двигателя с фазным ротором также на практике не используется.

Область (s < 0) соответствует генераторному режиму работы параллельно с сетью. Приподводимая к двигателю механическая энергия частично теряется в двигателе в виде теплоты, а в основном отдается в сеть. Однако при дальнейшем возрастании скорости и соответствующем увеличении частоты тока ротора происходит постепенное уменьшение коэффициента мощности двигателя, который приs=sГРстановится равным нулю. При скорости, соответствующейотдаваемая в сеть активная мощность равна нулю, т, е. вся подведенная к двигателю механическая энергия теряется в виде теплоты в двигателе. Поэтому приимеет место режим рекуперативного торможения, принаступает режим динамического торможения, а придвигатель начинает потреблять энергию из сети, как и при режиме противовключения.

Максимальное значение момента двигателя в двигательном режиме определяет его перегрузочную способность. При этом необходимо иметь в виду, чтоМк зависит от квадрата приложенного напряженияU1, вследствие чего асинхронный двигатель весьма чувствителен к колебаниям напряжения сети. В каталожных данных для асинхронных двигателей указывается перегрузочная способность двигателя при номинальном напряжении. При определении момента допустимой перегрузки следует учитывать возможное снижение

напряжения сети на 10 %:

Электромеханические естественные характеристики асинхронного двигателя и показаны на рис. 3.30,6. Зависимость построена с помощью (3.73) и соотношения(сплошная кривая). В ней отражены все рассмотренные выше особенности зависимости (рис. 3.29,а). Кривая в основном повторяет форму кривой , так как определяется соотношением. Она показана на рис. 3.30,6штриховой кривой, которая имеет наиболее значительные отклонения от кривой области идеального холостого хода. Действительно, приток ротора равен нулю, а статор потребляет из сети ток холостого хода основной составляющей которого является намагничивающий ток .По мере роста тока ротора эти кривые сближаются.

Двигатель с фазным ротором благодаря выведенным на контактные кольца выводам роторной обмотки обеспечивает возможность изменения параметров цепи ротора путем введения различных добавочных сопротивлений. Наиболее широко используется включение в цепь ротора добавочных активных сопротивлений, как показано на рис. 3.26, а.При этом в соответствии с (3.78) максимум моментаМКне претерпевает изменений, а критическое скольжение (3.77) увеличивается пропорционально суммарному сопротивлению роторной цепи Поэтому механические характеристики двигателя при введении в ротор добавочных активных сопротивлений имеют вид, показанный на рис. 3.31,а.

Рассматривая эти характеристики, можно установить, что введение добавочных активных сопротивлений в цепь ротора при пуске двигателя и при торможении противовключением является эффективным средством ограничения тока и повышения момента двигателя. Переключением сопротивлений можно обеспечить работу двигателя во всех режимах в пределах рабочего участка механических характеристик. В частности, плавным уменьшением сопротивления при торможении противовключением и последующем пуске в противоположном направлении можно обеспечить постоянство тормозного и пускового моментов двигателя в этих режимах.

Модуль жесткости рабочего участка механической характеристики при введении сопротивления находится при данном Мв обратно пропорциональной зависимости от , поэтому реостатные характеристики двигателя при больших добавочных сопротивлениях имеют невысокую жесткость.

Искусственные характеристики, соответствующие изменению , которое может быть достигнуто введением добавочных индуктивных сопротивлений в цепь статора или ротора, представлены на рис. 3.31,6. В соответствии с (3.77) и (3.78) увеличениеприводит к уменьшениюи, этим и объясняется форма указанных характеристик. Заметим, что последовательное введение в силовую цепь двигателя емкостного сопротивления позволяет снижатьи вследствие этого увеличивать перегрузочную способность двигателя. Однако на практике эта возможность в связи с трудностями реализации используется редко.

Характеристики, показанные на рис. 3.31, б, дают представление и о форме искусственных механических характеристик, которые могут быть получены введением добавочных активных сопротивлений в цепь статора . Как это следует из соотношений (3.77) и (3.78), этот параметр влияет наианалогично влиянию.

Несколько подробнее необходимо остановиться на влиянии на электромеханические свойства асинхронного двигателя изменений напряжения и частоты тока, подводимого к его статору. В пределах рабочего участка механической характеристики, когда ток статора не превышает - существенно номинальное значение, ЭДС двигателя E1незначительно отличается от напряжения сети, поэтому можно приближенно записать

(3.84)

Рис. 3.31. Естественные и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя

Из (3.84) следует, что при неизменной частоте (f1 =const) изменения напряжения приводят к соответствующим изменениям магнитного потока двигателя. Так как в номинальном режиме магнитная цепь двигателя насыщена (рис. 3.32), то повышение напряжения сверх номинального приводит при прочих равных условиях к быстрому возрастанию тока намагничивания. У двигателей нормального исполнения ток холостого хода, поэтому повышение напряжения на 20 — 30 % может увеличивать ток холостого хода до значений, превышающих номинальный ток, и двигатель может нагреваться этим током сверх допустимой температуры даже при отсутствии полезной нагрузки на его валу. При тех же условиях снижение напряжения вызывает в соответствии с (3.84) уменьшение магнитного потока.

Следовательно, напряжение, приложенное к обмоткам статора асинхронного двигателя, при f1 =constможет рассматриваться как управляющее воздействие, определяющее поток двигателя, так же как и напряжениеUВ, приложенное к обмотке возбуждения двигателя достоянного тока. Форма механических характеристик приf1 =constиU1=varпоказана на рис. 3.31,в. Она определяется соотношениями (3.77) и (3.78), из которых следует, что скольжениеsКпри этом остается неизменным, а критический момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения.

Во всех рассмотренных вариациях параметров скорость идеального холостого двигателя оставалась неизменной. Изменения частоты тока статораf1приводят к пропорциональному изменению величины, но одновременно приU1 = const вызывают обратно пропорциональные изменения потока двигателя. Так как в

Номинальном режиме машина насыщена (рис. 3.32), при U1=U1 НОМдопустимо только увеличение частоты, что вызывает

соответствующее уменьшение потока . В соответствии с (3.78) увеличениеf1приводит к уменьшению критического момента из-за увеличения и повышения реактансов рассеяния. Критическое скольжение при этом также уменьшается, а скорость идеального холостого хода увеличивается, как показано на рис. 3.31,г.

При необходимости уменьшения частоты снижения скорости необходимо дополнительно изменять напряжение питанияU1. Таким образом, чтобы поток поддерживался примерно постоянным. Соответственно наиболее эффективные возможности управления асинхронным двигателем обеспечиваются использованием в качестве управляюще-го воздействия в канале регулирования скорости частотыf1, а в канале регулирования потока напряженияU1.

Приведенный анализ основан на предположении, что при данной механической характерис-тике в любой ее точке параметры двигателя , , , остаются неизменными. Известно, что это допущение вполне приемлемо в пределах рабочего участка механической характеристики, а приs > sK является в большинстве случаев грубым. При больших токах сказывается насыщение зубцов, что вызывает уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния. С возрастанием частоты тока ротора существенно проявляется эффект вытеснения тока, вызывающий увеличение активного сопротивления роторной обмотки . Для двигателя с фазным ротором, которым можно управлять таким образом, чтобы во всех режимах обеспечивалась работа в пределах рабочего участка его характеристик, указанные изменения параметров не имеют существенного значения. В наиболее массовом варианте асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором двигателя влияние изменений параметров весьма существенно и его необходимо иметь в виду.

Схема включения асинхронного короткозамкнутого двигателя приведена на рис. 3.33, а,а варианты статических механических характеристик показаны на рис. 3.33,б. Вотличие от двигателя с фазным ротором пуск короткозамкнутого двигателя осуществляется в большинстве практических случаев прямым включением его обмотки статора в сеть, а для торможения используется режим противовключения. Поэтому область механической характеристики приs > sKимеет для такого двигателя важное значение и определяет его пусковые и тормозные возможности. МоментМП, развиваемый двигателем при (s= 1), является важным показателем, включаемым в число каталожных данных двигателя в виде величиныМП /МНОМ. Практически при оценке пускового момента следует учитывать возможность понижения напряжения сети на 10 % при снижении каталожного значенияМПна 20 %. Кроме того, для короткозамкнутых двигателей в каталогах указывается кратность пускового тока.

Для сокращения длительности переходных процессов пуска и торможения желательно увеличивать пусковой и тормозной моменты, а для уменьшения нагрузок на сеть полезно ограничивать пусковые и тормозные токи двигателя. Если двигатель имеет ротор с круглыми пазами, то изменения сопротивления роторной обмотки, обусловленные эффектом вытеснения тока, хотя и вызывают отклонения формы механической характеристики от определяемой (3.79), но не обеспечивают значительного увеличения пускового и тормозного моментов и заметного ограничения соответствующих токов (см. кривую 1на рис. 3.33,6).Изготовление двигателя с увеличенным сопротивлением роторной клетки дает модификацию, называемую двигателем с повышенным скольжением (штриховая кривая2на рис. 3.33,б).При этом достигается увеличение пускового и тормозных моментов, но понижается жесткость рабочего участка механической характеристики, снижается номинальная скорость и возрастают потери в роторной цепи двигателя:

(3.85)

Соотношение (3.85) свидетельствует о том, что потери в роторной цепи при М=constпропорциональны скольжению. Двигатели с повышенным скольжением имеют номинальное скольжение, что в 2—3 раза превышает номинальное скольжение того же двигателя нормального исполнения. Соответственно возрастают номинальные потери двигателя, что вынуждает при прочих равных условиях снижать допустимый по нагреву (т. е. номинальный) момент и номинальную мощность двигателя. Увеличение потерь в роторной

цепи вызывает также снижение КПД двигателя, поэтому обычно двигатели с повышенным скольжением в установках, работающих длительно с номинальной нагрузкой, не используются.

Более сильно зависит от скольжения активное сопротивление двигателей с глубоким пазом (кривая 3) и особенно с двойной беличьей клеткой (кривая4на рис. 3.33,б). Сопротивление роторной обмотки таких двигателей в номинальном режиме невелико, но сильно увеличивается

при возрастании частоты тока ротора в пусковых режимах и режиме противовключения. Подбором параметров двойной клетки удается обеспечить практическое постоянство момента двигателя в переходных процессах и в то же время обеспечить высокую жесткость рабочего

Рис. 3.33. Схема (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

участка механической характеристики и значения КПД, близкие к двигателям нормального исполнения. Кроме того, увеличение активного сопротивления двойной беличьей клетки при больших скольжениях ограничивает потребляемый двигателем ток.

studfiles.net

Параметры асинхронных двигателей

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники

Содержание [п]

При определении необходимых параметров асинхронных двигателей надо учитывать функциональные свойства систем регулирования электропривода. Следует различать случаи, когда обеспечивается регулирование напряжения в зависимости от частоты по определенному закону или осуществляется только ступенчатое регулирование тока возбуждения синхронного генератора, который в определенном диапазоне изменения параметров рабочего режима асинхронного двигателя остается постоянным. Первый случай соответствует системам электропривода с преобразователями частоты. Во втором случае, характерном для электропривода периодического действия, при выборе параметров асинхронного двигателя и оценке режимов его работы необходимо учитывать влияние реакции якоря по продольной оси синхронного генератора на форму механической характеристики электродвигателя.

При отсутствии узлов регулирования для каждого асинхронного двигателя выбирать его параметры необходимо с учетом распределения нагрузки между электродвигателями транспортной машины.

Следует подчеркнуть значение выбора максимальной скорости вращения электродвигателей как постоянного, так и переменного тока. Повышение быстроходности способствует снижению удельного веса электродвигателя, но приводит к усложнению редуктора и увеличению его веса. При достаточно высоких скоростях вращения электродвигателя существует оптимальное решение, при котором суммарный вес этих элементов мотор-колеса будет минимальным.

В случае использования в проектируемом мотор-колесе существующего тягового электродвигателя рассчитывают его электромеханические характеристики при различных значениях напряжения и (для асинхронных двигателей) частоты. Результаты расчета позволяют оценить с учетом величины мощности первичного двигателя, передаваемой на колесо, соответствие характеристик электродвигателя заданным тягово-скоростным показателям машины и дают исходные величины для определения электрических параметров генератора.

Выбор кинематической схемы редуктора мотор-колеса сравнением ряда вариантов должен обеспечить получение возможно более простой схемы с удовлетворительным значением к. п. д. при заданном передаточном числе. При этом следует учитывать те ограничения в образовании кинематических схем редукторов, которые обусловлены специфическими особенностями мотор-колес.

Задача заключается в том, чтобы, используя известные методы образования кинематических схем редукторов и учитывая упомянутые ограничения, создать редуктор с наиболее удачным сочетанием конструктивных, весовых и эксплуатационных параметров.

radiowiki.ru

Расчет механических характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (стр. 1 из 4)

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Расчетно-графическая работа № 1

по дисциплине: «Основы электропривода» и «Автоматизированный электропривод»

на тему:

«Расчет механических характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором»

Выполнил: студент гр.ЭСЭ 24-в

Левицкий П.В.

Проверил: доцент

технич. наук Назаренко В.Н.

Севастополь 2009

Тема: РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (АД) С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Учебная цель:

1) Закрепить и углубить теоретические знания по определению свойств электродвигателей электроприводов по их механическим характеристикам.

2) Освоить методики расчета механических характеристик электроприводов в двигательном и тормозном режимах.

Содержание работы:

1) Рассчитать параметры обмотки статора и ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2) Произвести расчет механической характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме по приближенной формуле М.Клосса.

3) Произвести расчет механической характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения.

4) Построить механические характеристики исполнительного механизма и асинхронного двигателя в двигательном и тормозном режимах.

Примечание:

1) Технические данные двигателей нормального исполнения представлены в табл.

2) Динамическое торможение асинхронного двигателя производиться по схеме соединения обмоток статора в звезду табл.

3) При расчете механической характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения принять

4) Момент сопротивления исполнительного механизма

1.1 Особенности расчета характеристик и определение параметров асинхронных короткозамкнутых двигателей по каталожным данным

Параметры АД являются переменными, изменяющимися в зависимости от скольжения машины, что определяется насыщением зубцового слоя и вытеснением тока ротора. Изменение параметров АД значительно затрудняет расчет их механических характеристик. Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора двигателя или скольжения от момента, развиваемого двигателем при установившемся режиме работы: n=f(M) или s=f(M).[4]

Рис.1.Механическая характеристика АД

В последующих расчетах характеристик АД в различных схемах включения основное внимание уделяется учету влияния изменения Rиндукт контура намагничивания, т.к. оно определяет точность расчетов. Характер изменения остальных параметров схемы замещения или не учитывается, или учитывается косвенно.

Схема замещения АД представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмотка статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.[4]

Рис.2. Схема замещения АД

В каталогах на двигатели параметры схем замещения не указываются, а приводимые данные относятся к номинальному режиму работы. И хотя каталожных данных в ряде случаев достаточно для расчета механических характеристик, эти расчеты не всегда точны. Ниже приводятся выражения, позволяющие рассчитывать параметры схем замещения АД, а также ряд других параметров по приводимым в каталогах данным: линейному напряжению

и линейному току

статора, номинальным значениям мощности

, частоты вращения

, коэффициента мощности

, и КПД

, числу пар полюсов

, кратностям максимального

и пускового тока

(приложение – таблица

)

1.2 Исходные данные

Технические данные односкоростных электродвигателей серии МАП нормального исполнения на 1000 об/мин.

1.3 Расчеты параметров обмоток статора и ротора

1) Критическое скольжение двигателя.

Одной из важных точек механической характеристики, представляющей интерес при анализе работы и выборе АД, является точка, где момент, развиваемый двигателем, достигает наибольшего значения. Эта точка имеет координаты nкр,sкр,Mmax (рис.1.) Значение критического скольжения sкр, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент Mmax определим по формуле.