Лекции / Лекция 17 Работа АМ в различных режимах, однофазные АМ
.pdf
Работа АМ в различных режимах, однофазные АМ
Асинхронный генератор. Асинхронная машина может работать генератором, как параллельно с сетью, к которой подключены другие генераторы, так и на автономную нагрузку.
Для того чтобы она начала работать генератором, необходимо с помощью постороннего двигателя разогнать ее ротор в сторону вращения магнитного поля с угловой скоростью , большей синхронной скорости . Скольжение приэтом будет отрицательным.
Направления перемещения магнитного поля относительно проводников статора и ротора в этом случае противоположны, поэтому ЭДС, индуцируемые в них (рис. 2.73), будут иметь разные знаки. По
сравнению с двигательным режимом направления ЭДС E' и активной
составляющей тока ротора меняются на обратные. В результате этого изменяется направление момента, т. е. он становится тормозным и направленным против движения ротора.
JI1x1 I1r1
|
|
E |
E |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
I2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
I |
12 |
|
|
B |
|
|
|
|
I12a |
|
|
|
|
|
|
|
||
Ротор |
|
|
|
I12p |
|||
|
|
|
|
|
|
I2 |
|
|
Статор |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
U1г |
E |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Рис. 2.73. Направление ЭДС в проводниках обмотки статора и ротора в генераторном режиме работы машины
Рис. 2.74. Векторная диаграмма асинхронного генератора
I2 p |
|
|
E2s |
|
|
sin 2 |
|
s2 |
E2s x2 |
||
|
|
|
|
|
|
r22 (x2 s)2 |
|||||
r2 |
(x |
2 |
s)2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Реактивная составляющая тока ротора в генераторном режиме (при s ) имеет тот же знак, что и в двигательном.
В генераторном режиме угол P mU I cos . Это указы-
вает на то, что мощность не потребляется, а отдается в сеть. Регулирование отдаваемой генератором в сеть активной мощно-
сти достигается изменением угловой скорости ротора (изменением скольжения). Рабочие характеристики генератора могут быть построены по результатам эксперимента.
На рис. 2.75 представлена энергетическая диаграмма асинхронного генератора.
Из рис. 2.73 следует
Рэм Р2 рэл.1 рмг .
С другой |
стороны электромагнитную |
|
||||||||||
мощность можно выразить через поте- |
|
|||||||||||
ри на сопртивлении |
r2 |
|
|
|
|
|||||||
s |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Р m I |
2 |
r2 |
|
рэл.2 |
. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||||
эм |
2 |
2 s |
s |
|
|
|
||||||
Полную |
|
механическую |
мощность |
|
||||||||
можно определить по формуле |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
1 s |
|
Рис. 2.73. Энергетическая |
|||
Рмх Рэм рэл.2 |
|
диаграмма асинхронного |
||||||||||
m2I2 r2 |
s |
|
генератора |
|||||||||
Рэм (1 s)
Подведенную к валу мощность подсчитаем по формуле
P1 Рмх pмх pд
Полезная мощность генератора Р2 3UфIcos
Недостатком асинхронного генератора, так же как и асинхронного двигателя, является потребление из сети реактивной мощности, необходимой для создания магнитного поля. Мощность эта велика и составляет 20—50 % полной мощности генератора. Поэтому асинхрон-
ные генераторы как источники переменного тока применяются сравнительно редко.
В электроприводе генераторный режим асинхронной машины используется для рекуперативного торможения. Примером этому может быть спуск груза подъемным краном, когда двигатель включается согласно с направлением спуска. Тогда под действием силы тяжести груза ротор разгоняется, и его скорость становится больше синхронной, т. е. машина переходит в генераторный режим. Тормозной момент, который возникает в этом случае, будет ограничивать скорость спуска груза, а кинетическая энергия груза будет преобразовываться в электрическую и возвращаться в сеть.
Для того чтобы автономный асинхронный генератор мог работать на собственную сеть (нагрузку), он должен самовозбудиться. Магнитный поток в генераторе создается реактивной составляющей намагничивающего тока. Эта составляющая опережает индуцируемую в обмотке статора ЭДС E на 90°. В автономном генераторе реактив-
ный опережающий ток, необходимый для самовозбуждения, получается от конденсаторов С, специально подключаемых к обмотке статора
(рис. 2.76).
Рис. 2.76. Схема самовозбуждения асинхронного генератора
Первопричиной самовозбуждения генератора является наличие остаточного магнитного потокаост в стали ротора. При вращении ротора поток ост индуцирует
в обмотке статора ЭДС Eост , которая вызывает в конденсаторах ток.
Этот ток, протекая по обмотке статора машины, усиливает остаточный магнитный поток. Больший магнитный поток индуцирует большую ЭДС, а это приведет к дальнейшему росту тока и потока, что в свою очередь вызовет даль-
нейшее возрастание ЭДС, и т. д.
Для самовозбуждения асинхронного генератора требуются конденсаторы большой емкости. Это увеличивает размеры и стоимость установки. Кроме того, при постоянной емкости конденсаторов с увеличением нагрузки напряжение на выводах генератора резко падает, а его стабилизация встречает большие затруднения.
Благодаря своей конструктивной простоте и отсутствию скользящего контакта автономные асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором находят применение в специальных установках.
Электромагнитный тормоз. При работе асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза ротор вращается в сторону, противоположную вращению магнитного поля. Скольжение в этом режиме будет больше единицы ( s ).
Направление перемещения поля относительно проводников статора и ротора в режиме тормоза будет таким же, что и при работе машины двигателем. Поэтому векторные диаграммы для этих режимов не имеют принципиальных отличий.
Как и в двигательном режиме, электромагнитный момент в тормозном режиме будет направлен по направлению вращения поля. Но, поскольку ротор вращается в противоположную сторону, на него этот момент будет оказывать тормозящее действие.
На рис. 2.77. представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя в режиме противовключенич.
При работе в режиме электромагнитного тормоза в обмотке ротора выделяется не только электромагнитная мощность, но и мощность, поступающая с вала, так как внешний момент, приложенный к ротору, действует в сторону его вращения. Вся потребляемая машиной энергия расходуется на покрытие потерь в машине, которые достаточно велики. Поэтому этот режим
является тяжелым в тепловом отношении и при U1 U1ном допустим
лишь кратковременно.
Практическое применение режим электромагнитного тормоза находит для быстрого торможения двигателя и приводимого им в движение механизма.
Для того чтобы осуществить торможение, необходимо иметь возможность изменять порядок чередования фаз подводимого к обмотке статора напряжения, а, следовательно, и направление вращения магнитного поля. После остановки ротора, во избежание разгона его в другую сторону, двигатель следует отключить.
Асинхронный преобразователь частоты. Возможность ис-
пользования асинхронной машины в качестве преобразователя часто-
ты вытекает из равенства f f s . Изменением скольжения s частоту f можно или уменьшить (s ), или увеличить ( s ) по сравнению с частотой f . Практическое применение асинхронные преобразовате-
ли частоты нашли главным образом для повышения частоты переменного тока с 50 до 100 и 150 Гц. Они используются для питания быстроходных асинхронных двигателей с частотой вращения n об/мин.
Асинхронный преобразователь частоты (рис. 2.77) состоит из трехфазной асинхронной машины П с контактными кольцами и соединенного с ней приводного двигателя Д. Обмотка статора асинхронной машины П включается в первичную сеть промышленной частоты f , а обмотка ротора через контактные кольца и щетки питает вторичную сеть током частоты f .
f1
Р12
ДП
Р2
f1
Нагрузка
Рис. 2.77. Асинхронный преобразователь частоты
Pэ m I r ,
Мощность, отдаваемая обмоткой ротора во внешнюю сеть, частично поступает от статора электромагнитным путем, а частично преобразуется из механической мощности P по-
лучаемой от двигателя Д. Полная активная электрическая мощность цепи ротора
где r — сумма сопротивлений ротора и нагрузки.
Мощность, переносимая электромагнитным путем в ротор,
P m |
I2 r2 P |
1 |
, |
|
|
||||
12 2 |
2 s |
э2 s |
||
а подведенная со стороны двигателя,
P P |
P |
Pэ2 (s 1) |
. |
|
|
||||
2 |
э2 |
12 |
s |
|
|
|
|
||
Отношение между этими мощностями
P12 |
|
1 |
. |
|
|
||
P2 |
(s 1) |
||
При s 2 , когда f2 2f1 ,P12 P2 .
Если не требуется регулирование частоты f , то в качестве приводного двигателя преобразователя используется короткозамкнутый асинхронный двигатель.
Однофазные АД. Если у вращающегося трехфазного асинхронного двигателя отключить одну фазу, то он будет работать как однофазный. При этом коэффициент мощности уменьшается на несколько десятых, а максимальный момент снижается почти вдвое. Поэтому мощность машины должна быть уменьшена от 40 до 50%.
Статоры однофазных двигателей часто имеют обычную трехфазную обмотку. Одна из фаз является вспомогательной пусковой обмоткой, а две остальные, включенные последовательно, составляют главную или рабочую обмотку. Оси рабочей и пусковой обмоток сдвинуты на 90 электрических градусов.
Включенный в сеть в неподвижном состоянии однофазный двигатель без пусковой обмотки не развивает никакого момента. Создаваемое статором пульсирующее поле может быть разложено на два поля, вращающихся в противоположных направлениях и передающих ротору равные, но направленные встречно моменты. Если ротор придет во вращение от постороннего привода, совпадающее по направлению вращения с ротором прямое поле усиливается, а обратное поле ослабляется, что создает преобладание момента, направленного в сторону вращения и сообщающего ротору ускорение. Таким образом, однофазный двигатель имеет в неподвижном состоянии чисто пульсирующее поле, при разгоне эллиптическое вращающееся поле и при холостом ходе и номинальной частоте вращения почти круговое вращающееся поле.
В роторе протекают два тока, один из которых имеет частоту скольжения f2S , второй частоту, близкую к удвоенной частоте сети f ( s) f . При холостом ходе ток частоты скольжения почти ис-
чезает, тогда, как другой ток создает размагничивающую МДС., эквивалентную МДС половины статорного тока. Поэтому потребляемый из
сети ток холостого хода будет больше, чем при трехфазном включении, где при холостом ходе отсутствует размагничивающая реакция
ротора. Ток холостого хода будет примерно в 
3 раз больше, чем у трехфазных машин. При размыкании цепи ротора однофазной машины встречная н.с. ротора исчезнет, ток холостого хода снизится наполовину, и в машине снова появится чисто пульсирующее поле, а на контактных кольцах возникнет повышенное напряжение двойной частоты. Потери в обмотке ротора будут равны:
pэл.2 т2r2(I22пр I22об ),
где I2пр – ток в роторе от прямого поля,
I2об – ток в роторе от обратного поля.
Эти потери более чем вдвое превосходят потери трехфазного двигателя, работающего при одинаковой величине вращающего момента.
Потери в роторе лучше всего подсчитывать следующим образом:
pэл.2 pэм 1 (1 s)2 Pэм s 2 s .
Здесь 2 s – скольжение от обратного поля. При малых скольжениях.
Pэл2 Pэм 2S .
Эта формула недействительна при синхронной скорости, т.к. подсчет потерь в роторе дает нуль, тогда как ток двойной частоты сети создает всё же небольшие потери.
Уоднофазного двигателя ток короткого замыкания меньше, чем
усоответствующего ему трехфазного двигателя и составляет 0,5
3 от последнего. У двигателя с пусковой фазой различают два тока короткого замыкания, определяемых при раздельных опытах короткого замыкания.
Круговая диаграмма однофазного двигателя без пусковой обмотки. Круговую диаграмму однофазного двигателя с одной рабочей обмоткой строят так же, как и трехфазного. Строят векторы токов
холостого хода и короткого замыкания с учетом их cos 0 и cos k .
Находят центр окружности и точку s , подобно тому, как и для трехфазного. Следует обратить внимание на разрыв окружности между точками s 1 и s , имеющий место вследствие невозмож-
ности вращения против поля, так как последнее всегда вращается в сторону вращения ротора. Линия моментов отсутствует, так как при коротком замыкании однофазного двигателя ротор неподвижен и отсутствует пусковой момент. Линия механической мощности может быть построена лишь приближенно, как прямая между точкой холостого хода p0 и точкой короткого замыкания s 1.
Диаграмма короткого замыкания двигателя с пусковой об-
моткой. Если пропустить через пусковую обмотку, расположенную перпендикулярно к рабочей обмотке, ток со сдвигом по фазе относительно тока рабочей обмотки, по возможности близким к 90º. Для получения сдвига фаз перед пусковой обмоткой включается активное, индуктивное или емкостное сопротивление. При включении перед обмоткой чисто активного сопротивления Rдоб (рис. 2.83), точка Pп пе-
ремещается по окружности, проходящей через точку короткого замыкания пусковой обмотки Pкп и через нулевую точку. Точка Pп тем ближе подходит к нулевой точке, чем больше включенное Rдоб .
Площадь треугольника, ограниченного токами Iкр и Iкп , явля-
ется мерой для полученного пускового момента. Величина этой площади пропорциональна длине перпендикуляра Pпа , опущенного из
точки Pп на вектор тока Iкр .
Если в цепь пусковой обмотки включено чисто индуктивное сопротивление (см. рис. 2.84), то по сравнению со случаем на рис. 2.83 угол сдвига между напряжением и током увеличится, а ток уменьшится. Точка Pп перемещается по окружности, опять–таки проходящей
через Pкп и ноль, но с центром, лежащим на перпендикуляре к оси абсцисс в нулевой точке. При возрастании индуктивного сопротивления точка Pп справа приближается к нулю (рис. 2.84).
Если использовать конденсатор (рис. 2.85), то конец вектора тока пусковой фазы будет располагаться на той же окружности, но при возрастании пускового сопротивления точка Pп будет приближаться к нулевой через верхнюю часть окружности (рис. 2.85).
Рис.2.74
Для всех трех различных схем точки максимального пускового момента могут быть получены, если из центра окружности токов пусковой обмотки опустить перпендикуляр на вектор тока рабочей обмот-
ки Iкр и продолжить его до пересечения с окружностью. Точка пере-
сечения определяет искомый наибольший пусковой момент. Отсюда
следует, что величина добавочного сопротивления активного, индуктивного или емкостного характера должна быть в точности равна
U / Iкп .
а |
б |
в |
Рис. 2.75.
Наибольшие пусковые моменты дают конденсаторы. Активное сопротивление следует предпочесть индуктивности, если коэффициент мощности короткого замыкания рабочей обмотки ниже 0,7. Индуктивность дает большие моменты, чем резистор, если тот же коэффициент мощности выше 0,7. Следует отметить, с индуктивностью двигатель разгоняется в сторону, противоположную направлению вращения при пуске с сопротивлением или конденсатором.
Однофазные двигатели с конденсаторами часто работают при полной частоте вращения с пусковой обмоткой, включенной через часть пусковых конденсаторов. При пользовании индуктивностями или резисторами пусковая обмотка после разгона должна, безусловно, отключаться.
При использовании трехфазного асинхронного двигателя в качестве однофазного обмотку статора соединяют по одной из схем, приведенных на рис. 2.86.