Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебно-методическое пособие
.pdf
зиться (уменьшать частоту вращения) и если при n = 0 отключить питание, произойдет торможение противовключением и двигатель
остановится. Если питание не отключать, двигатель сменит направление вращения, т. е. произойдет реверс двигателя.
3.4. СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ АД
Схема замещения АД – это математическая модель АД, которая
позволяет описать электромагнитные процессы в нем в различных
режимах работы. Схема замещения строится для одной фазы двигателя (рис. 3.3). Она описывает установившиеся процессы в ЭМ, т. е. когда моменты и частота вращения постоянны.
При построении схемы замещения удобно электрически соединить
цепи обмоток статора и ротора (в действительности статор и ротор разделены воздушным зазором). Для этого обмотку ротора приводят к обмотке статора, т. е. в модели, описывающей двигатель, число витков
обмотки статора считают равным числу витков обмотки ротора. Так как
в одном витке и статора и ротора наводятся ЭДС одинаковой величины,
то будут равны ЭДС фазы ротора и ЭДС фазы статора.
Кроме того, необходимо сделать приведение реального вращающегося двигателя к двигателю с неподвижным ротором.
Механическую мощность нельзя непосредственно отразить в
электрической схеме, поэтому для этого в цепь обмотки ротора вводят дополнительное резистивное сопротивление, потери в котором
соответствуют механической мощности, развиваемой двигателем.
Рис. 3.3. Схема замещения асинхронной машины
41
В большинстве учебников не принято обозначать индуктивные
s
sr1
/
2
сопротивления комплексными величинами. Однако запись мнимой
единицы перед обозначением индуктивных сопротивлений сделает
схему математически более верной.
На схеме замещения обозначены переменные:
U1 – фазное напряжение обмотки статора;
I1 – ток фазы статора;
/
I
– приведенный ток фазы ротора;
2
I0 – ток намагничивания.
Этот ток создает основной вращающийся магнитный поток, силовые линии которого замыкаются по сердечникам статора и ротора,
проходя через воздушный зазор.
Обозначены также параметры схемы замещения:
r1 – активное сопротивление фазы статора (сопротивление меди);
x1 – индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора.
Кроме основного магнитного потока в АМ существуют магнитные потоки, замыкающиеся вокруг витков обмоток или статора или
ротора. Их называют потоками рассеяния, они не участвуют в создании электромагнитного момента, но влияют на токи и момент АМ.
Учитываются введением в схему замещения индуктивных сопротивлений рассеяния;
/
r
– активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное
2
к обмотке статора;
/
x
– приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы
2
обмотки ротора;
rm – активное сопротивление ветви намагничивания. Оно учитывает потери в стали сердечников статора и ротора. Такие потери возникают за счет гистерезиса и вихревых токов (токов Фуко);.
xm – индуктивное сопротивление ветви намагничивания, обусловленное основным магнитным потоком сердечников;
– активное сопротивление для учета механической мощ-
ности, развиваемой АМ.
42
3.5. ПОТЕРИ И КПД
Активная мощность, поступающая в статор АМ из трехфазной
сети, преобразуется в электромагнитную мощность взаимодействия
вращающегося магнитного поля и токов ротора. Она с помощью магнитного поля передается из статора в ротор, приводя его во вращение. В процессе передачи мощности возникают потери, как в роторе,
так и в статоре (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
На энергетической диаграмме обозначены:
Р
– активная мощность, поступающая в статор;
1
ΔРЭ1 –электрические потери энергии в обмотке статора (потери в
меди обмотки статора);
ΔР
– магнитные потери в сердечнике статора (магнитные по-
маг1
тери на гистерезис и вихревые токи);
Р
– электромагнитная мощность двигателя;
эм
ΔРЭ2 – электрические потери в обмотке ротора (за счет активного
сопротивления обмотки ротора);
ΔР
– механические потери на трение и вентиляцию (включая
МЕХ
добавочные потери, от пульсаций магнитных потоков в зубцах сердечников, трения о воздух и диэлектрические потери);
Р
– механическая (полезная) мощность на валу двигателя.
2
Необходимо отметить, что кроме активной мощности, АМ является потребителем и реактивной мощности. Реактивная мощность Q1
характеризует процесс обмена энергией между магнитным полем
43
двигателя и источником. Соотношение между активной и реактивной
2
1
2
1
1
1
cos
QP
P
1
2
Р
Р
МЕХ
Р
М
мощностями характеризуется коэффициентом мощности двигателя:
. (3.5)
Отношение полезной механической мощности Р2 на валу двигателя к активной мощности Р1 потребляемой из сети называют коэффициентом полезного действия АД:
. (3.6)
Номинальный КПД современных АД составляет 0,8-0,95.
3.6. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМ
Вращающий момент М, развиваемый электромагнитными силами
на роторе АМ, определяется отношением механической мощности на
роторе Р
(иногда обозначают Ω):
к механической угловой скорости вращения ротора ω
МЕХ
. (3.7)
Максимальный Мm вращающий момент АМ развивает при
скольжении, называемом критическим sкр.
Зависимости вращающего момента АМ от скольжения и частоты
вращения от момента – механические характеристики (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Механические характеристики АМ
44
Рабочей (устойчивой) частью механической характеристики является участок с диапазоном моментов от 0 до Мm. На этом участке
при увеличении нагрузки скольжение возрастает, двигатель увеличивает вращающий момент, т. е. принимает на себя нагрузку. При
уменьшении нагрузки на валу двигателя скольжение уменьшается и
одновременно уменьшается вращающий момент. Если момент
нагрузки превысит максимальный момент двигателя, частота вращения снижается до нуля: двигатель останавливается.
Это связано с тем, участок с диапазоном скольжений от sкр. до 1,0
является неустойчивой частью механической характеристики, т. к.
при увеличении момента нагрузки момент двигателя уменьшается,
динамический момент становится тормозным, скольжение растет и
АД останавливается.
3.7. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД
Для оценки энергетических свойств АД служат его рабочие характеристики (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Рабочие характеристики АМ:
индексом «вр» обозначен вращающий момент,
а индексом «х» – величины переменных на холостом ходу (Р2 = 0)
Такими характеристиками называют зависимости фазного тока
статора, частоты вращения, скольжения, вращающего момента, ко-
45
эффициента мощности и коэффициента полезного действия машины
.9550
2
n
Р
М
от ее мощности на выходе – механической мощности для синхронного двигателя и электрической мощности для синхронного генератора.
1. Скоростная характеристика n = f(Р2) показывает, что частота
вращения ротора при изменении нагрузки на его валу в диапазоне от
холостого хода до номинальной уменьшается незначительно, и поэтому ее называют жесткой.
2. Характеристика s = f(Р2) определяет характер увеличения
скольжения с ростом нагрузки.
3. Характеристика М = f(Р2) определяет характер увеличения
вращающего момента с ростом нагрузки. Вращающий момент может
быть определен из равенства:
(3.8)
Если считать, что частота вращения ротора при Р2<Р
изменя-
2ном
ется незначительно, то зависимость между моментом и механической
мощностью здесь близка к прямолинейной.
4. Зависимость η = f(Р2) – основная энергетическая характеристика АД. Максимальный КПД наблюдается, когда переменные потери
энергии (потери в меди) равны постоянным потерям (потери на гистерезис и вихревые токи). При Р2≈0,75Р
2ном
.
5. Начальная точка характеристики I1 = f(Р2) определяет ток хо-
лостого хода – реактивную составляющую тока статора, необходимую для создания вращающегося магнитного поля. Ток изменяется
практически по линейному закону.
6. Зависимость cos φ = f(Р2) показывает, что на холостом ходу,
т. к. активная мощности двигателя мала по сравнению с реактивной, –
cos φ = 0,1…0,3. При нагрузке, близкой к номинальной, коэффициент
мощности достигает максимума cos φ = 0,8…0,9. Но при дальнейшем
увеличении нагрузки cos φ несколько снижается, т. к. реактивная
мощность возрастает быстрее активной.
46
3.8. СПОСОБЫ ПУСКА АД И РЕГУЛИРОВАНИЕ
ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
При рассмотрении возможных способов пуска АД необходимо
учитывать следующее.
1. Двигатель должен развивать при пуске достаточно большой
пусковой момент, который должен превышать момент сопротивления
на валу, так называемый статический момент, так чтобы ротор мог
начать вращение и достичь, после завершения пуска, номинальной
частоты вращения.
2. Пусковой ток должен быть ограничен, т. е. не более чем в 23 раза превышать номинальный. При этом при затяжных пусках не
происходит значительный перегрев двигателя, а также не нарушается
нормальная работа сети (не будет значительных «просадок» напряжения при пусках).
3. Пусковое устройство, с одной стороны, должно быть достаточно простым и надежным, а его стоимость, – по возможности, – достаточно невысокой. С другой стороны, оно должно обеспечивать плавный пуск, – без значительных колебаний тока двигателя и его электромагнитного момента.
Проведем анализ основных способов пуска АД.
1. Наиболее простым способом пуска АД с к.з. ротором является
прямой пуск (рис. 3.7, а), когда обмотка статора включается непосредственно в сеть, на номинальное напряжение.
При этом пусковой ток IП = (4…10)IН. Такой кратковременный
ток безопасен для двигателя, но при пуске двигателей большой мощности вызывает значительные просадки напряжения сети, что может
неблагоприятно сказаться на других потребителях, присоединенных к
той же распределительной сети.
2. Рассмотрим реакторный пуск (рис. 3.7, б). Сначала включается выключатель В1 и двигатель получает питание через трехфазный
реактор (катушка из медной шины, имеющая значительное индуктивное сопротивление), который ограничивает пусковой ток. По дости-
47
жении нормальной скорости вращения включается выключатель В2,
который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается
номинальное напряжение сети.
а б в г
Рис. 3.7. Пуск в ход асинхронной машины
3. Автотрансформаторный пуск (рис. 3.7, в). Сначала включаются выключатели В1 и В2, – на двигатель через автотрансформатор
АТ подается пониженное напряжение. После достижения двигателем
определенной скорости выключатель В2 отключается, двигатель получает питание через часть обмотки АТ, который в этом случае работает как реактор. Затем включается В3 и двигатель получает полное
напряжение.
4. Пуск переключением «звезда – треугольник» (рис. 3.7, г).
Может применяться в тех случаях, когда выведены все 6 концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник. При пуске обмотка статора включается в
звезду, а при достижении нормальной скорости вращения переключается в треугольник. Напряжение фаз обмоток уменьшается в √3 раз,
пусковой момент в 3 раза, пусковой ток в фазах обмотки в √3 раз, а в
сети в 3 раза.
48
5. Плавный тиристорный пуск в настоящее время получает все
большее распространение. Для плавного пуска в линейные провода,
соединяющие двигатель с сетью, включают тиристорные регуляторы,
плавно управляя с их помощью напряжением на статоре двигателя.
Для регулирования частоты вращения вала АД применяются
несколько способов.
1. Регулирование вращения изменением частоты тока фаз статора
(частотное регулирование) [1-3]. При этом необходимы источники
электропитания с регулируемой частотой вращения (синхронные генераторы с переменной частотой вращения вала, вентильные (полупроводниковые) преобразователи частоты тока). Используется очень
широко, – от бытовой техники до космических объектов. Позволяет
повышать частоту вращения машины свыше 3000 об/мин, плавно регулировать ее в широком диапазоне, сохраняя высокий КПД (металлообрабатывающие станки, насосные установки, нефтяная и газовая
промышленность, электроэнергетика, транспортные средства и т.д.).
Подробнее познакомиться в [7-10].
2. Регулирование скорости изменением числа полюсов. Изменять число пар полюсов р можно 2 способами:
а) выполнением на статоре АД нескольких обмоток, которые
уложены в общих пазах и имеют различные числа пар полюсов. Но
при этом из-за ограниченного места в пазах сечение проводников
каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению
мощности двигателя;
б) применением обмоток специального типа, которые позволяют
получать различные значения р путем переключения схемы соединения обмоток.
Общий недостаток – невозможность плавного регулирования.
3. Регулирование уменьшением напряжения на статоре АД.
Для этой цели используются автотрансформаторы или тиристорные
регуляторы. При уменьшении напряжения на статоре двигателя снижается его КПД, вращающий момент двигателя уменьшается про-
49
порционально квадрату напряжения, что может привести к остановке
двигателя. Этот метод применяется для кратковременного снижения
частоты вращения двигателей небольшой мощности.
4. Импульсное регулирование. Производится путем периодического включения и отключения двигателя с помощью контакторов
или вентильных элементов, включенных последовательно в цепь статора. При этом двигатель непрерывно находится в переходном режиме, – ускоряет или замедляет вращение ротора. В зависимости от частоты и продолжительности импульсов включения АД работает с некоторой усреднённой постоянной, частотой вращения.
Глава 4. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНЫХ ДАННЫХ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ
Глава содержит методические указания по выполнению расчет-
ной работы по курсу «Электротехника и электроника».
Номер варианта соответствует номеру списка группы сту-
дентов.
По табл. 4.1 и 4.2 определяют номер варианта задания, соответ-
ствующий номеру списка первой группы. Для других групп значения
мощностей Р1, Р2, Р3, Р4, Р5 умножают на цифру, обозначающую номер группы. Интервалы работы электродвигателя t1, t2, t3, t4, t5 и длина
L кабеля для электропитания вносятся из таблицы без изменений.
1. Для выбора электродвигателя:
а) построить по исходным данным Р(t) (нагрузочную характери-
стику),
б) произвести расчет эквивалентной мощности электродвигателя;
в) по справочным данным выбрать тип и мощность электродвига-
теля общего назначения (например, асинхронного);
г) определить перегрузочную способность двигателя.
2. Для выбора кабеля электропитания:
а) провести расчет и выбрать марку кабеля и его сечение;
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]