Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электротехники. Учебное пособие для СПО
.pdf
Подставляя в выражение для э. д. с. статора, получаем:
.
При этом напряжение статора находится соотношением:
.
Если учесть, что э. д. с.
1
пропорциональна току намагни
чивания
10
, можно записать соотношение:
,
где Z12имеет размерность сопротивления и изображает в эк
вивалентной схеме магнитную цепь двигателя.
Отсюда получаем выражение для напряжения статора:
.
Учтем также уравнение тока статора:
.
Если рассмотреть два уравнения напряжения статора на осно
вании законов Кирхгофа для схемы на рисунке, то в ней — об
мотка статора, — обмотка ротора,
Z
12
— магнитная цепь маши
ны,
R′ — механическая нагрузка.
В случае синхронного вращения двигателя, т. е. когда
s = 0, по
нему проходит ток холостого хода и определяется из опыта хо
лостого хода.
В этих условиях сопротивление, которое изображает механи
ческую нагрузку, можно выразить соотношением:
Когда происходит торможение двигателя,
s = 1, поэтому R′= 0.
Поэтому опыт торможения двигателя называют опытом ко
роткого замыкания, который осуществляется при понижении на
пряжения на статоре асинхронного двигателя.
2
22
1
.
Rs
RRR
ss
−
=−= =∞′
10
I
′
2
Z
′
1
Z
′
110 2
II I=+
1111012
()
11012
EIZ−=
IE
()
()
1 1 11 11 2
U E IZ IZ I Z R=−+=+ +′′ ′
()
12
ЕIZR=− +
′′ ′
111
6. Рабочие характеристики
двигателя
С помощью механических
характеристик можно показать
свойства двигателя как части
электропривода. Рабочие характе
ристики двигателя более полно
выявляют свойства самого двига
теля. К ним относят зависимость
частоты вращения n, мощности
Р
2
, которую отдает двигатель на
вал, вращающих моментов
М и т. д.
Для снятия рабочих характеристик применяются цепи с номи
нальными частотами сети
f и напряжениями на статоре U.
Вращающий момент
М, который развивает двигатель, полу
чается при сложении полезного момента
М
2
, который отдается ва
лу двигателя, и момента холостого хода
М
0
, который затрачивается
на механические потери двигателя.
М
0
приближенно считают не
зависящим от нагрузки двигателя. Для полезного момента
M
2
=
=
F(P
2
), т. е. при постоянной скорости вращения двигателя зависи
мость является линейной. Но в реальных условиях
М
2
отклоняется
вверх. Для построения кривой
М = F(P
2
) необходимо сложить мо
мент холостого хода и полезный момент. Она пересечет ось орди
нат в точке
М
0
, после чего почти прямолинейно направляется
вверх (рис.73).
Для выяснения зависимости cos
ϕ
1
двигателя от нагрузки
необходимо учесть некоторые соотношения. Ток намагничива
ния двигателя почти не зависит от нагрузки, поскольку ее увели
чение приводит к возрастанию только потоков рассеяния, кото
рые пропорциональны токам статора и ротора. При этом
главный магнитный поток двигателя при увеличении нагрузки
слабо уменьшается, а активный ток двигателя зависит от его ме
ханической нагрузки. Следовательно, увеличение нагрузки дви
гателя приводит к убыванию относительного значения реактив
ного тока. При этом cos
ϕ
1
увеличивается. В режиме холостого
хода двигателя его коэффициент мощности низок. Увеличение
нагрузки приводит к его увеличению до максимальных значений
(0,7—0,9), когда нагрузка близка к номинальной, т. е. даже полно
стью загруженный двигатель обладает реактивным током, кото
рый составляет 70—40% тока статора.
112
Рис. 73. Рабочие характеристики
s, n, cos ϕ
2
η, M, I
1
I
1
M
0
P
2норм
P
2
S
n
cosϕ
1
η
Магнитный поток двигателя прямо пропорционален напря
жению на статоре. Намагничивающий ток, который возбуждает
этот поток, при известном значении потока обратно пропорцио
нален магнитному сопротивлению на пути потока. В данном маг
нитном сопротивлении основную часть составляет сопротивле
ние воздушных зазоров между статором и ротором. Поэтому
величину воздушных зазоров стремятся уменьшить, что положи
тельно влияет на величину коэффициента мощности.
Для нахождения коэффициента полезного действия приме
няется формула:
При этом подводимую мощность находят как сумму полезной
мощности и мощностей всех потерь двигателя:
P
1
=
P
2
+
P
пот
.
Потери принято разделять на постоянные, которые почти не
зависят от нагрузки, и переменные, которые от нее зависят.
Постоянные потери — потери в стали сердечника статора на
гистерезис и вихревые токи, а также на механические потери.
Для их определения применяют опыт холостого хода двигателя.
Переменные потери — потери на нагревание проводников
в статоре и роторе:
Переменными потерями считают и добавочные потери, воз
никающие при изменения вращении ротора относительного по
ложения зубцов статора и ротора. Для данных потерь применяют
скос пазов ротора относительно пазов статора.
КПД является максимальным при условии, что переменные
потери равны постоянным. Максимальный КПД асинхронной
машины составляет примерно 75%.
7. Пуск в ход двигателей
Пусковые свойства являются важной характеристикой электро
двигателей. Они определяются пусковыми токами
I
п
и начальны
22
пр1 1 1 пр2 2 2 2
3; .РIRPmIR==
2
1
.
Р
Р
η
=
113
ми пусковыми моментами М
п.нач
, плавностью и экономичностью
пуска и продолжительностью.
Кратность пусковых величин ( и ) приводится
в каталогах.
Пусковые свойства асинхронных двигателей зависят от его
конструкции и устройства ротора.
Чаще всего применяют прямой пуск
двигателей с короткозамкнутым ротором,
который является простым и быстрым.
В этом случае применяется простой ком
мутирующий аппарат, который предста
вляет собой рубильник (для двигателя
высокого напряжения — масляный вы
ключатель). При прямом пуске пусковой
ток превышает номинальный в 5,5—7 раз.
Подобная перегрузка тока относительно
безопасна для двигателя, но приводит к
увеличению потери напряжения в сети и
может отрицательно повлиять на других
потребителей энергии.
Также важно, что у двигателей с короткозамкнутым ротором
кратность пускового момента находится в пределах 1,0—2,0. Сле
довательно, такие двигатели в момент пуска потребляют большую
силу тока, развивая при этом малый вра
щающий момент.
Для улучшения пуска асинхронного
двигателя необходимо уменьшить пус
ковой толчок тока и при этом увеличить
пусковой момент.
Уменьшение пускового тока достига
ется понижением напряжения на зажи
мах статора, для чего включаем последо
вательно к обмотке статора трехфазное
индуктивное сопротивление (рис. 74).
Для запуска нужно замкнуть рубиль
ник
Р
1
, что обеспечивает последователь
ное соединение реактивной катушки
п.нач
ном
М
М
п
ном
I
I
114
Рис. 74. Схема пуска
Рис. 75. Схема пуска
автотрансформатором
P
1
P
2
C
B
A
Ротор
Статор
C
B
A
AТ
и двигателя. Если скорость двигателя становится равной номи
нальной, происходит замыкание рубильника
Р
2
, в результате че
го катушка закорочивается и статор включается на полное напря
жение сети. В результате уменьшения пускового тока создается
пониженное напряжение на статоре, которое вызывает уменьше
ние пускового момента, что порой бывает недопустимым.
В пусковой схеме вместо индуктивного иногда применяется
активное сопротивление реостата. Однако это несет за собой
большие потери.
Пуск мощных двигателей часто осуществляется с помощью
автотрансформатора (рис. 75). Автотрансформатор при пуске
предназначен для снижения фазного напряжения двигателя
и пускового тока:
при этом ток сети
где z — сопротивление фазы двигателя;
U — фазное напряжение сети.
В результате получается снижение напряжения автотранс
форматором в
k раз, уменьшение пускового тока в сети в k
2
раз.
Недостатком автотрансформатора является дороговизна произ
водства.
Снизить напряжение на статоре в момент пуска можно, если
на время пуска переключить обмотки статора (которая в норме
работает при соединении треугольником) на соединение по схеме
«звезда». Этот метод применяется при пуске короткозамкнутых
двигателей небольшой мощности, которые работают нормально
с соединением обмоток по схеме «треугольник». В момент пуска
обмотка статора соединяется звездой, в результате чего фазное
напряжение и пусковой ток уменьшается в раз:
где Uл— линейное напряжение.
л
п.дв
,
3
U
Iz=
3
п.дв
л
2
,
I
U
I
kkz
==
п.дв
,
U
Ikz=
дв
U
115
Линейные токи звезды равны фазным, поэтому
При соединении обмотки треугольником
Можно видеть, что от применения данного способа пусковой
ток уменьшается в 3 раза.
Переключение с треугольника на звезду производится с приме
нением трехполюсного переключателя (рис. 76) или барабанного
переключателя.
Пусковые условия двигателя можно улучшить, усложняя
конструкцию и обслуживание двигателя. Таким способом осу
ществляется пуск асинхронного двигателя с фазной обмоткой
ротора. Это осуществляется, например, применением пусковых
реостатов.
Рис. 76. Пуск переключением
Еще одним способом улучшения пусковых свойств является
использование асинхронных двигателей с двойной беличьей
клеткой. В этих двигателях короткозамкнутая обмотка ротора из
готовлена в форме двойной беличьей клетки. Стержни нижних
клеток имеют большее сечение, благодаря чему активное сопро
тивление верхней клетки намного больше активного сопротивле
ния нижней клетки (в 4—5 раз).
Стержни клеток размещают в верхней и нижней частях паза,
при этом между стержнями наружной и внутренней клеток остав
ляют узкую щель, высоту и ширину которой определяют поток
рассеяния нижней клетки и ее индуктивность. Индуктивность
л
лп.дв
3
3.
U
II
z
∆
==
л
лп.дв
.
3
U
II
z
λ
==
116
C
B
A
Z
Y
X
Y
∆
3∼
Статор
нижней клетки велика за счет того, что стержни клетки окру
жаются сталью, которая прорезана только сверху. Индуктивность
верхней клетки меньше, потому что поток рассеяния возле нее
испытывает на себе большое магнитное сопротивление воздуш
ного пространства между ротором и статором и щели паза под
стержнями.
Во время пуска двигателя (
s = l) частота тока ротора равна
частоте сети, при этом полное сопротивление внутренней клет
ки образуется ее индуктивным сопротивлением, т. е. в момент
пуска двигателя в роторе происходит вытеснение тока из внут
ренней беличьей клетки. При этом полное сопротивление вне
шней клетки в основном является активным, и поэтому ток вну
тренней клетки является преимущественно реактивным.
Он отстает по фазе от э. д. с. и практически не участвует в об
разовании вращающего момента. Ток наружной клетки в момент
пуска мало сдвинут по фазе к э. д. с. и создает значительный пу
сковой момент.
Двигатели с двойной беличьей клеткой имеют активное со
противление обмотки ротора, изменяющееся в зависимости от
скольжения, которое велико при пуске и мало при рабочем режи
ме. Благодаря такой конструкции ротор с двойной беличьей клет
кой имеет повышенный пусковой вращающий момент при пони
жении пускового тока.
8. Методы регулирования частоты
вращения двигателей
Частота вращения асинхронного двигателя определяется ско
ростью вращения магнитного поля и числом полюсов.
Существуют два основных способа регулировать частоту вра
щения асинхронного двигателя: включение резисторов в цепь
фазного ротора, изменение количества полюсов, образующих вра
щающееся магнитного поля.
Для осуществления первого способа применяются двигатели
с фазными роторами. При этом в цепь двигателя вводят трехфаз
ный реостат, который должен быть рассчитанным на длительную
нагрузку током ротора. При увеличении активного сопротивле
ния цепи изменяется характеристика
М = F (s) — она становится
более пологой. Если, не изменяя момента на валу двигателя, уве
117
личить сопротивление цепи ротора постепенным увеличением
сопротивления реостата, рабочая точка сместится с одной кри
вой
M = F (s) на другую, которая соответствует увеличенному со
противлению цепи ротора, т. е. будет расти скольжение, и поэто
му снизится частота вращения двигателя. Таким способом
изменяется частота вращения ротора от номинального скольже
ния до абсолютной остановки. Недостатком способа являются
слишком большие потери энергии. Для мощности вращающего
ся поля справедлива формула:
которая не зависит от скольжения при неизменном моменте. Эта
мощность тратится на потери в проводах ротора:
и механическую мощность:
Зная отношение этих величин:
можно сделать вывод, что доля механической мощности умень
шается с уменьшением частоты
ротора, при этом возрастает вели
чина потерь в сопротивлениях це
пи ротора. Мощность, которую
забирает двигатель из сети, не из
меняется, т. е. для уменьшения
скорости вращения двигателя
необходимо включить в цепь ро
тора сопротивление, которое вы
нуждает превращаться в тепло
большую часть энергии.
пр2
1
мех
,
1
P
snn
Рsn
−
==
−
вр
мех
.
1
Р
Рs=
−
пр2 вр
РРs=
вр
,
М
Р
р
ω
=
118
Рис. 77. Зависимость скорости
от напряжения
M
M
′
0
M
M
M
U1 = 0,7U
норм
S
1
S
k
U1 = U
норм
Среди недостатков данного способа является то, что включе
ние сопротивления уменьшает устойчивость работы двигателя,
поскольку небольшое изменение нагрузки приводит к значитель
ным изменениям частоты вращения двигателя.
Для плавного регулирования частоты вращения двигателя
в цепи изменяют напряжение на зажимах статора. Такой вид ре
гулирования применим к двигателям с короткозамкнутым рото
ром. Если учесть, что вращающий момент двигателей прямо про
порционален квадрату напряжения, координата механической
характеристики уменьшается в отношении , как изобра
жено на рисунке 77. Скачкообразное изменение скоростей враще
ния двигателя возможно осуществить усложнением конструкций
асинхронных двигателей. Оно связано с переключением числа по
люсов двигателей.
Скорость вращения поля определяется количеством полюсов
этого поля. При размещении на статоре двух отдельных обмоток
с
р и р′ парами полюсов, включая в сеть первую или вторую об
мотку, скорость поля будет составлять:
или ,
откуда получаем:
.
Подобным образом будут отли
чаться и частоты вращения ротора
двигателя. Обмотку ротора двигате
ля в этом случае нужно выполнить в
форме беличьего колеса, для кото
рого количество фаз изменяется
с изменением числа полюсов поля:
и ,
где N — число стержней беличье
го колеса.
2
N
mp=′
′
2
N
mp=
1
1
np
np
′
=
′
1
60 f
np=′
′
1
60 f
np=
2
1
ном
U
U
119
Рис. 78. Изменение числа
полюсов переключением
обмоток
B
Z
A
C
X
B
C
Y
A
Y
C
A
Z
B
X
При этих условиях количество полюсов обмоток статора ничем
не связано и выбирается любым в зависимости от условий работы
двигателя. Регулирование при этом осуществляется скачкообраз
ным изменением частоты вращения поля двигателя. Однако частоту
вращения ротора нельзя изменить скачкообразно вследствие нали
чия инерции всей системы электропривода. Только после переклю
чения наступает изменение частоты вращения ротора. На рисунке 78
показано изменение числа полюсов с двух на четыре.
Еще одним методом управления частотой вращения асинхрон
ного двигателя является изменение частоты переменного тока, ко
торый питает двигатель. Скорость вращения поля находится по
формуле:
поэтому изменение частоты приводит к изменению угловой ско
рости поля. При таком способе важно учитывать, что необходимо
одновременно регулировать и напряжение. Часто необходимо
чтобы изменение частоты вращения двигателя не сопровожда
лось изменением его вращающего момента. Для номинальных
значенияй тока и магнитного потока справедливо выражение:
U1≈ 4,44fω1k
об1
Фв.
При этом условии активные материалы двигателя полностью
используются. Значит, изменение частоты должно сопровождаться
поддержанием вращающего момента постоянным, что осущест
вляется изменением напряжение на зажимах статора.
9. Двухфазные и однофазные
двигатели
Для некоторых механизмов нужны
двигатели переменного тока, которые
питаются от одной фазы трехфазной
системы, т. е. посредством только двух
проводов. Для этих целей используют
асинхронные бесколлекторные двига
тели и коллекторные двигатели пере
менного тока.
2
,
п
f
p
π
ω
=
120
Рис. 79. Силы,
действующие на проводник
f
f
f
f
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]