Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют зависимость от полезной мощности Р2 тока статора I1, потребляемой мощности P1, коэффициента полезного действия 
, коэффициента мощности 
и частоты вращения n (или скольжения s).
Расчёт рабочих характеристик производится по схеме замещения асинхронного двигателя, представленной на рисунке 2.1.
Коэффициент рассеяния статора:
. (2.1)
Коэффициент сопротивления статора:
. (2.2)
Расчётные значения параметров схемы замещения:
;
;
(2.3)
; 
.
Рисунок 2.1 - Схема замещения асинхронного двигателя
Сопротивления короткого замыкания равны:
;
; (2.4)
.В соответствии с ГОСТ 183-74 добавочные потери при номинальной грузке для асинхронных двигателей общего применения:
. (2.5)
Механическая мощность на валу двигателя:
. (2.6)
Сопротивление схемы замещения Rн, эквивалентное механической мощности:
. (2.7)
Полное сопротивление рабочего контура схемы замещения:
. (2.8)
Номинальное скольжение:
. (2.9)
Номинальная частота вращения ротора, об/мин:
. (2.10)
Активная и реактивная составляющие тока статора при синхронном вращении ротора:
;
(2.11)
.
Расчётный ток ротора:
. (2.12)
Активная и реактивная составляющие тока статора:
;
(2.13)
.
Фазный ток статора:
. (2.14)
Коэффициент мощности:
. (2.15)
Потери мощности в обмотках статора и ротора:
;
(2.16)
Суммарные потери мощности в двигателе:
. (2.17)
Потребляемая мощность:
;
(2.18)
Коэффициент полезного действия:
(2.19)
Практическая работа выполняется по вариантам, выданным преподавателем.
Для расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя задаются рядом значений полезной мощности на валу двигателя: 0,25
, 0,5
, 0,75
, 0,9
, 1.0
, 1,25
и расчёт производят по выше описанной методике. Результаты расчётов сводят в таблицу.
По результатам расчёта рабочих характеристик уточняют параметры номинального режима работы и строят рабочие характеристики.
Для выполнения практической работы в приложении А приведены технические данные асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором серии РА (привязка мощностей к установочно-присоединительным размерам по стандартам CENELEC, DIN).
По результатам работы составляется отчет, который должен содержать:
1) титульный лист;
2) задание на практическую работу;
3) содержание;
4) выполнение задания;
5) список использованных источников.
5 Список литературы
Асинхронные двигатели общего назначения/ Е. П. Бойко, Ю. В. Гаинцев, Ю.М. Ковалёв и др.; Под ред. В. М. Петрова и А. Э. Кравчика. - М.: Энергия, 1980. - 488с.
Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А. Э. Кравчик, М. М. Шлоф, В. И. Афонин, Е. А. Соболевская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504с.
Практическая работа № 2
Расчёт пусковых характеристик асинхронного двигателя
Цель практической работы
Целью расчета пусковых характеристик асинхронного двигателя является практическое применение студентами теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Электромеханические преобразователи энергии в системах управления технологическими процессами» и приобретение навыков расчетов основных элементов в системах управления технологическими процессами.
2 Теоретическая часть
Пусковые свойства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором оцениваются кратностью пускового момента и пускового тока, а также перегрузочной способностью, которая характеризуется кратностью максимального момента. Для асинхронных двигателей серии 4А и RA кратность пускового и максимального моментов должна быть не ниже, а кратность пускового тока не выше значений, приведённых в приложении А.
Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором самым распространённым способом пуска является прямое включение на номинальное напряжение сети. В процессе пуска частота тока в обмотке ротора 
изменяется от частоты сети 
до значений, соответствующих рабочим скольженьям. В диапазоне значений скольжения от
в массивных стержнях обмотки ротора возникает эффект вытеснения тока и ток по сечению стержня распределяется неравномерно. Чем ближе к воздушному зазору, тем плотность тока в стержне оказывается выше.Действие эффекта вытеснения тока проявляется в увеличении активного сопротивления стержня и снижении удельной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутой обмотки ротора. Чем больше частота тока обмотки ротора и чем глубже паз, тем сильнее проявляется действие эффекта вытеснения тока.
Требования, предъявляемые к величине активного сопротивления обмотки ротора, неоднозначны. С целью увеличения пускового момента асинхронного двигателя необходимо увеличивать активное сопротивление обмотки ротора, а с целью повышения коэффициента полезного действия это же сопротивление необходимо снижать. Благодаря эффекту вытеснения тока это противоречие в требованиях к значению одного и того же параметра решается естественным образом.
Во время прямого пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором токи в обмотке статора и ротора в 5 – 7,5 раз превышают номинальные. Это приводит к тому, что в машине, пропорционально токам, возрастают магнитные потоки рассеяния. Ферромагнитные участки магнитной цепи по путям потоков рассеяния насыщаются, а проводимость путей потоков рассеяния снижается. Следовательно, в ходе выполнения расчётов пусковых характеристик необходимо учитывать влияние эффекта вытеснения тока и насыщение путей потоков рассеяния на параметры машины.
Влияние эффекта вытеснения тока на параметры стержней обмотки ротора принято определять с помощью коэффициента увеличения сопротивления 
и коэффициента демпфирования 
. Решение задачи о параметрах массивного стержня, расположенного в открытом прямоугольном пазу, даёт следующие выражения для коэффициентов 
и 
;
(2.1)
,
где 
– приведённая высота стержня.
, (2.2)
где 
– высота стержня в пазу, м;
и 
–ширина стержня и паза, м;
– частота тока в обмотке ротора, Гц;
– удельное сопротивление материала обмотки ротора при расчётной температуре, Ом ∙ м.
При литой алюминиевой обмотке ротора 
при расчётной температуре 75 0С
; (2.3)
при расчётной температуре 115 0С
(2.4)
В формулах (2.3) и (2.4) 
-частота сети.
В расчётах параметров массивных стержней с произвольной конфигурацией поперечного сечения принято определять не коэффициенты 
и 
, а коэффициенты 
и 
Высота стержня:
. (2.5)
Коэффициенты 
и
можно определить по значению приведенной высоты стержня по формулам (2.1) - (2.4), а так же по рисункам 2.1 и 2.2.
Практика расчётов показывает, что если 
< 1 влияние эффекта вытеснения тока на параметры машины можно не учитывать.
Рисунок 2.1 - Зависимость коэффициента 
от приведённой высоты стержня
По значению коэффициента 
определяют расчётную глубину проникновения тока в стержень:
. (2.6)
Сечение стержня на расчётной глубине в случаях, когда 
:
, (2.7)
где
– ширина паза ротора на расчётной глубине.
Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициента 
от приведённой высоты стержня
Расчётный коэффициент увеличения сопротивления стержня:
, (2.8)
где
– сечение стержня.
Коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки ротора в результате эффекта вытеснения тока:
. (2.9)
Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора, с учётом эффекта вытеснения тока:
. (2.10)
Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учётом эффекта вытеснения тока 
определяют по формуле (7.15). Если на роторе выполняются закрытые пазы, то для вычисления последнего слагаемого в формуле (7.15) уточняют ток стержня:
, (2.11)
где
– приведённый ток обмотки ротора в режиме номинальной нагрузки. Определяется по результатам расчёта рабочих характеристик.
Ток стержня 
заменяют выражением
, где 
– ожидаемая кратность пускового тока при выбранном значении скольжения, а 
– уточнённое значение тока стержня в режиме номинальной нагрузки. Выполняя расчёт пусковых характеристик для скольженияs = 1 в качестве начального приближения можно принять 
равным допустимой кратности пускового тока для машины - аналога. Определив в конечном итоге кратность пускового момента и кратность пускового тока (для выбранного значения скольжения), нужно будет сравнить полученное значение кратности пускового тока с тем значением, которым задавались, определяя параметры машины. Если расхождение в значениях будет превышать 15%, то расчёты необходимо повторить, откорректировав выбранное значение 
.
Значение индуктивного сопротивления рассеяния обмотки ротора, приведённое к обмотке статора, с учётом эффекта вытеснения тока:
, (2.12)
где
. (2.13)
Влияние насыщения путей потоков рассеяния на параметры машины проявляется в снижении проводимости пазового и дифференциального рассеяния обмоток статора и ротора.
Снижение удельной проводимости пазового рассеяния, вызванное насыщением головок зубцов, учитывают введением дополнительного раскрытия паза 
. Величина дополнительного раскрытия паза зависит от токов в обмотках машины. В свою очередь токи в обмотках зависят от параметров. Поэтому, задача определения насыщенных значений параметров решается методом последовательных приближений.
Коэффициент рассеяния статора в режиме пуска:
, (2.14)
где 
– коэффициент насыщения магнитной цепи.
Коэффициент сопротивления статора:
. (2.15)
Параметры схемы замещения в режиме пуска (рисунок 9.1):
;
(2.16)
Полное пусковое сопротивление:
. (2.17)
Расчётный ток ротора при пуске:
. (2.18)
Предварительное значение тока ротора при пуске с учётом влияния насыщения:
, (2.19)
где Кн – коэффициент насыщения. Если расчёты пусковой характеристики выполняются для скольжения s = 1, то можно, предварительно, принять Кн = 1,3 – 1,4. Для режима максимального момента Кн = 1,15 – 1,25.
Расчётная намагничивающая сила пазов статора и ротора:
. (2.20)
Значения коэффициента Кр приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - | - |
|
| 0,5 | 0,5 | 1,0 | 1,0 | 2,5 |
Эквивалентное раскрытие паза, мм:
, (2.21)
где b – ширина паза. Размер паза, ближайший к зоне шлица.
Расчёт эквивалентного раскрытия паза производят для пазов статора и полузакрытых пазов ротора. Для закрытых пазов ротора величину 
и 
не рассчитывают.
Если 
, то необходимо принять
Уменьшение проводимости пазового рассеяния:
,
(2.22)
.
Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния:
; (2.23)
. (2.24)
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния:
; (2.25)
; (2.26)
где
. (2.27)
Расчётное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:
. (10.28)
Расчётное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведённое к обмотке статора, с учётом насыщения и вытеснения тока:
. (2.29)
Полное сопротивление рабочего контура схемы замещения с учётом насыщения и вытеснения тока в обмотке ротора при пуске двигателя:
, (2.30)
где
;
.
Расчётный ток ротора при пуске:
. (2.31)
Активная составляющая тока статора при пуске:
; (2.32)
. (2.33)
Ток статора при пуске:
. (2.34)
Кратность пускового тока:
. (2.35)
Пусковой момент, Н ∙ м:
. (2.36)
Кратность пускового момента:
. (2.37)
studfiles.net
У асинхронных двигателей, так же как и у двигателей постоянного тока, имеется 4 вида характеристик, которые позволяют оценить работу двигателя:1. Пусковые;2. Регулировочные;3. Рабочие;4. Тормозные.
Самым распространенным способом пуска является прямой пуск, при котором на зажимы статора сразу подается номинальное напряжение. При этом в цепи статора возникает бросок тока до величины Iп.
Iп = (5÷7)Iном
Затем по мере увеличения скорости происходит снижение тока до величины Iном.
Пусковые характеристики асинхронного двигателя при прямом пуске.
Прямой пуск используется в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором мощностью до 10 кВт.
Чтобы ограничить величину пускового тока двигателей 10-100 кВт в цепь статора двигателя последовательно включается ограничивающее сопротивление Rп.
Ограничивающие сопротивления статора выводятся из цепи статора, когда скорость двигателя становится близкой к номинальной путем шунтирования контактами контактора КМ2.
Асинхронные двигатели мощностью свыше 100 кВт пускают с помощью специальных устройств на пониженном напряжении: автотрансформатор, поворотный трансформатор, фазорегулятор. В этом случае пуск осуществляется плавно, но такая схема пуска во-первых очень громоздка, а во-вторых на пусковых устройствах возникают значительные потери.
В настоящее время в связи с развитием полупроводниковой техники разработаны специальные полупроводниковые устройства, позволяющие обеспечивать пуск асинхронного двигателя на пониженном напряжении. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют один единственный способ пуска с введенными сопротивлениями в цепь ротора.
el-dvizhok.ru
Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей находится под постоянным вниманием специалистов, занимающихся асинхронным электроприводом. Одним из перспективных конструктивных решений является асинхронный трехфазный двигатель с массивным ферромагнитным или двухслойным ротором. Известны специфические качественные показатели асинхронного двигателя с массивным ротором – хорошие пусковые характеристики, практически отсутствие зубцовой пульсации вращающего момента, высокое электрическое сопротивление роторной цепи. Однако эти двигатели имеют низкие энергетические показатели при номинальной нагрузке. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором представляют собой модификацию асинхронного двигателя с массивным ротором и имеют по сравнению с ними приемлемые потери при номинальной мощности и сохраняют хорошие пусковые свойства.
Двухслойный ротор представляет собой полый массивный ферромагнитный цилиндр, выполненный из материала с оптимальным значением магнитной проницаемости, насаженный на цилиндр, набранный из листов обычной электротехнической стали, у которой магнитная проницаемость значительно больше магнитной проницаемости материала цилиндра (рис. 1).Толщина массивного цилиндра приблизительно равна высоте зубца обычного короткозамкнутого ротора. В области больших скольжений электромагнитные процессы в двухслойном роторе не отличаются от электромагнитных процессов в массивном роторе.
Это объясняется тем, что при больших скольжениях глубина проникновения электромагнитной волны в тело ротора меньше толщины массивного цилиндра (рис.1,а).
В этом случае в шихтованный цилиндр магнитное поле не проникает и он не оказывает влияния на работу двигателя. Следовательно, двигатель с двухслойным ротором, как и двигатель с массивным ротором, будет иметь большой начальный пусковой момент при малом начальном пусковом токе, а также малые потери энергии при пуске.
Рис. 1 — Конструкция ротора асинхронного двигателя с двухслойным ротором: 1 – рабочий цилиндр; 2 – шихтованный сердечник; 3 – короткозамыкающее кольцо; 4 – вал.
В области малых скольжений, когда глубина проникновения электромагнитной волны в тело ротора станет больше толщины массивного цилиндра, работа электродвигателя с двухслойным ротором будет отличаться от работы двигателя с массивным ротором (рис.1,б). Основное магнитное поле в этом случае будет смещено в шихтованную часть, так как магнитное сопротивление ее много меньше, чем магнитное сопротивление массивного рабочего цилиндра. Вследствие этого в массивном цилиндре возрастет нормальная составляющая и уменьшится тангенциальная составляющая магнитной индукции. Увеличение нормальной составлявшей магнитной индукции основного магнитного поля приведет к увеличению ЭДС в массивном цилиндре и, следовательно, вращающего момента двигателя при прочих равных условиях. Таким образом, жесткость механической характеристики возрастет, что приведет к повышению КПД двигателя.
Уменьшение тангенциальной составляющей магнитной индукции основного поля в массивном цилиндре, обусловленное вытеснением поля из области с большим магнитным сопротивлением в область с малым магнитным сопротивлением, приведет к уменьшению намагничивающего тока и, следовательно, к увеличению сosφ.
В короткозамкнутых асинхронных двигателях общего назначения паз ротора, как правило, имеет овальное сечение и заливается алюминием. Известно, что такие обмотки не всегда обеспечивают требуемые пусковые характеристики, поэтому с целью улучшения пусковых свойств применяются роторы специального исполнения: с литой двойной клеткой, с обычной клеткой и заливкой сплавами алюминия с большим удельным электрическим сопротивлением, со сварной двойной клеткой и различными материалами клеток и т.д.
Рис. 2 - Механические характеристики АД с различными роторами: 1 – ротор без вытеснения тока в клетке; 2 – ротор с двойной клеткой; 3 – ротор с глубоким пазом; 4 – двухслойный ротор
Для сравнительной оценки на рис.2 приведены механические характеристики асинхронного двигателя с различными роторами. Как видно, применение роторов с двойной клеткой или с глубоким пазом не решает полностью проблемы пуска асинхронных двигателей. Кроме того, из–за увеличения пазового рассеяния ротора эти двигатели имеют меньший cosφ при номинальной нагрузке (на 4…6%) и меньшую перегрузочную способность (на 15….25%) по сравнению с двигателем, у которого отсутствует эффект вытеснения тока.
Замена ротора с двойной клеткой двухслойным приводит примерно при том же начальном пусковом токе к увеличению начального пускового момента в среднем в 2,5 раза (рис.2). Добротность пуска двигателя с двухслойным ротором выше в 2…2,5 раза добротности пуска двигателя с двойной клеткой или глубоким пазом ротора и в 3….4 раза по сравнению с двигателем с обычной клеткой ротора без вытеснения тока.
Исходя из опыта эксплуатации, а также положительных качеств двигателей с двухслойным ротором можно рекомендовать их применение в следующих случаях:
— в электроприводах повторно – кратковременного режима работы и в электроприводах с частыми пусками. Исследования показали, что двигатели с двухслойным ротором допускают число пусков подряд 3….5 раз больше, чем двигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому они могут обеспечить более высокую надежность работы и более высокую производительность механизма;
— в электроприводах продолжительного режима работы, но с тяжелыми пусками. Это относится к приводам, питание которых осуществляется через длинные линии с повышенным падением напряжения, а также к автономным электроэнергетическим системам, где мощность двигателей соизмерима с мощностью генераторов;
— в электроприводах, требующих большого начального пускового момента и стоянки под током короткого замыкания.
www.radioingener.ru
м
м
