Elektrotehnika_i_elektronika_2008

В, С'

Рис. 2.109. Схема переключения обмоток АД со звезды на двойную звезду

(п2 изменяется в 2 раза при М = .const)

T=1 7. 1. • ^

i

Рис. 2.110. Переключение обмоток АД c треугольника на двойную звезду (обеспечивается при постоянной мощности, т. e. при увеличении частотъг вращения в два раза момент снижается также в два раза)

• З. Изменить скольжение. Этот способ наиболее прост, он обеспе-

чивает плавное регулирование частоты вращения АД, однако имеет. большой недоcтаток: низкий КПД двигателя, так как потери в. его роторе пропорциональны скольжению.

Изменять скольжение асинхронного двигателя можно многими способами. Наиболее распространенный это изменение напряжения (для двигателей c короткозамкнутым ротором), подаваемого на зажимы обмотки статора, или введением резисторов в цепь ротора

(для АД с фазным ротором.). Но при падении напряжения статора максимальный момент асинхронного : двигателя уменьшается про-

,. порционально квадрау напряжения, что, как и снижение КПД,

243 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины

резко ограничивает использование такого способа регулирования ча- . стоты 'вращения. Изменение напряжения;: подводимого к двигателю,

осуществляётся путем включения магнитных усилителей, автотpанс-

форматоров и тиристорны х прёобразойателеи напряжения. Последние

в настоящее время полyчили наибольшее: распространение. Частоту вращёния трехфазных АД с фазным ротором регулируТ

ют, например; при помощи трехфазного реостата,. включенного че

рез щетки и контактные кольца ' в • цепь обмотки вращающегося ротора.

взаключение отметим;:: что ограниченные возможности регулирования частоты вращения АД являются их основным недостатком.

2.4.17.Электрическое торможение

вусловиях эксплуатации электропривода. часто возникает необходимость'торможения двигателя; вплоть до его останова. Для элек- трического торможения АД используют обычно два.метода: тормо-

жение противовключением и . рекуперативное торможение.

Торможение по методу противовключения осуществляют переклю,

чением двух фаз, т. е. изiненением направления вращения магнит ного поля машины. При этом ротор будет продолжать вращаться,

но против вращения поля за счет сил инерции, т. e. в машине на ступит режим электромагнитного тормоза. Электромагнитный мо-

мент, направленный в сторону вращения поля, будет противодей-

ствовать. вращению ротора, способствуя его торможению. Этот

процесс сопровождается дополнительными потерями энергии в

цепи ротора. в момент; когда ротор двигателя остановится, обмоткy статора 'отключают от сети, так как двигатель может начать раз-

гон в обратном направлении.

Рекуперативное торможение заключается в переводе машины из режима двигателя в режим генератора. Для этого необходимо, что-

бы . скорость вращения ротора, превышала скорость вращения: маг-

нитного поля. Такие условия могут возн:икнуть,например, в подъемных ' устройствах при спуске груза, когда на валу двигателя действует

момент от веса . груза в направлении вращения ротора, вызывающий

ускорение привода в многоскоростных двигателях. Рекуперативное торможение может быть осуществлено переключением обмотки с меньшего на большее число пар полюсов, т. e. снижением скорости вращения магнитного поля. При этом машина, переводится в ре-

жим генератора и энергия вращающихся или движущихся масс привода тнреобразуется в электрическую энергию, отдаваемую в сеть. Во

время работы в режиме генератора машина, как известно, развива-

ет противодействующий .момент, осуществляющий торможение не связанное c дополнительными потерями энергии в цепи ротора.

2.4.18. Активная мощность и КПД

При работе. АД происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии переменных токов сети в механическую

энергию вращательного движения. Этот процесс сопровождается бесполезным расходом части энергии источника питания на нагрев

машины, который характеризуется величинами мощностей электрических, магнитных и механических потерь.

Нагрев обмоток определяется мощностью электрических потерь. статора и ротора, обладающих активными' сопр:отивлениями г1 и г2. По закону Джоуля—Ленца, она, как известно, пропорциональна квадрату тока в обмотке. Нагрев пакетов магнитопровода, вы зван-

ный гестерезисом и вихревыми токами, характеризуется мощностью магнитных потерь. Механические потери слагаются из потерь ме-^ ханической энергии на трение в подшипниках и контактных кольцах, a также на вентиляцию внутри машины.

Процесс преобразования электрической энергии в полезную ме- '

ханическую,развиваемуюАД,можетбытьописануравнениемба

ланса активной мощности. На' основании закона сохранения и преобОразования энергии можно записать:

Р1 = 3U111 cos Ф 1 = Р1 э + Р1 м + Р2 + Р2 + мех + Р2

где Р1 —_ мощность потребления машиной электрической энергии;

(рис. 2.111, б). Она дополнена структурной схемой асинхронного

и диаграмма мощностей (б) асинхронного' двигателя ' .

245 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины

двигателя (рис. 2.111, а), которая указывает на характер связей, су- ществующих между источником питания, статором электрической

машины, ротором и. рабочим механизмом (станок, кран, насос и т:п), приводимым в движенйё электричеЁкой- магциноиИсточник. . пита-

ния и статор связаны между собой .электрически,. статор и ротор• имеют магнитную связь, ва ротор и рабочий механизм — меканичес-

кую. .

Следует иметь в виду, что в паспорте АД, так же как и других

• электрических двигателей, в качестве . номинaльной мощности все - гда указывается его полезная механическая мощность Р2, a не мощ=

но.сть потребления электрической энергии Р 1 . Отношение этих

мощностей определяет КПд двигателя..

11= Р2/Р1 .

Номинальный КПДсовременных трехфазных АД составляет 075-0,95; наибольший КПД -имеют машины большой мощности.

2.4.19. Реактивная мoщнocть

и коэффициент мощности

Кроме необратимого процесса расхода энергии, yчитываемого

величиной активной мощности Р1 в : АД происходит обратимый

процесс периодического изменения запаса энергии магнитного поля

машины, который характеризуется реактивной мощностью Q1 . Соотношение между активной и рёактивной мощностями дви-

гателя оценивают его коэффициентом мощности х, величина которого при синусоидальных напряжениях и токах численно равна ко-

синусу угла сР сдвига фаз тока в обмотке статора по отношению к

напряжению:

х = cos сР1 -_ . P

р2 ^' Q1 •

Коэффициент мощности АД зависит от. нагрузки на его вaлу

(рис. 2.112). При холостом ходе машины энергия расходуется только на небольшие потери в статоре и незначительные механические

потери, активная мощности двигателя мала, a реактивная велика,

поскольку . в машине при номинальном напряжении возбуждается вращающееся магнитное поле с максимальной величиной потока полюса. Поэтому коэффициент мощности при холостом ходе Ад бу-

дет. низким — обычно 0,08-0,15. .

С постепенным возрастанием нагpузки активная мощность увеличивается, а реактивная практически остается постоянной, так как при неизменной амплитyде напряжения 'сети поток полюса основ-

ного поля сохраняет ту же величину, что и при холостом ходе. Ина- че говоря, энергия запасаемая во вращающемся магнитном поле, практически не зависит от расхода энергии на совершение полез-

ной механической работы и нагрев двигателя... Следовательно, с увеличением механической мощности двигателя, его коэффициент

мощности также возрастает. При нагрузке, близкой к номинальной, он достигает наибольшего значения (о,75-- о,95). однако при даль -

нейшем увеличении тормозного момента на. валу, сопровождающим

ся существенным ростом токов в обмотках статора и ротора, коэф= фициент мощности двигателя снижается, что объясняется

увеличением реактивных мощностей, .обусловленных полями рас-- сеяния и более быстрым ростом суммарной реактивной мощности машины по сравнению с ее активной мощностью.

Ввиду массового. применения АД в народном хозяйстве рациональная эксплуатация их, исключая работу машины с низким. коэффициентом мощности, приобретает важное . значение для эконо-

а

мичного электроснабжения строительных площадок.

на 'рис. 2.112 изображены также и основные рабочие характеристики АД. .

Рис. 2.112. Рабочие характеристики АД, показывающие, зависимости эксплуатационных параметров п2 , т, cos ф, I. от мощности на валу Р2

(п2, I1 , Р2 - отложены в относительных единицах)

2.4.20. Механическая характеристика

B виде зaвиcимoeти частоты вpaщeнйя ротора от нагрузки на валу п2 =f(M) имeeт большое значение при выборе электропривода, так как определяет эксплуатационные возможности двигателя. Как cлe- дует из рис. 2.113, частота вращения ротора нeзнaчиreльнo. cнижaeтcя при увеличении вращающего момента в пределах от нуля до

247 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины

максимального значения (устойчивый режим работы). Механичес-

кую характеристику такого вида принято называть жесткой.

Для каждого АД можно определить номинальный режим, т: e. режим длительной работы, при. котором обеспечиваются все его расчетные характеристики и . он не перегревается сверх температу-

ры; определяемой качеством (классом) изоляции . обмоток.

Момент М, соответствующий номинальному режиму, называют номинальным моментом, а соответствующее. ему скольжение - но-

минaльным скольжением s. Номинальная частота вращения ротора находится при этом из выражения п2 = п1 (1 - J, где п 1' частота вращения магнитного поля статора (синхронная частота вращения).

Максимальным, критическим или опрокидывающим моментом считается момент, соответствующий точке К на рис. 2.113.

При перегрузке свыше МК двигатель входит в область неустойчивого. режима и останавливается. Это . обстоятельство вынуждает выбирать мощность двигателя. так, чтобы даже при кратковрёменной перегрузке не был превышен максимальный момент. .

Работа асинхронной машины будет надежной, если она обладает определенной перегрузочной способност^ю, которая выpажается отношением МК/Мн.

п2,

об/мин

п2 = п ^^r^ii^вC9'^■

в■r^asв■в:г^■ вWв^d■■■вrIв

■►ввж ■■в`в'■

вв■^и■в idв^■в

Ijй1йIIll

/1.^1 B■1I■1t■.■

►t■■1pI■^1^■^^ M, Н•м

Мр М •М • М,л МК

Рис. 2.113. Механические характеристики асинхронного двигателя (1)

и вентилятора (2)

При включении 'статорной обмотки'в сеть ее магнитное'поле, не обладая инерцией, начинает вращаться c синхронной частотой п 1 , а ротор под влиянием сил инерции остается неподвижным (п 2 = 0).

Из соотношения . п2 п1 (1 =-- 5)' следует, что в момент пуска S = 1, a момент двигателя равен :пусковому . моменту М».

Под его действием ротор начинает' вращаться; при этом скольжение уменьшается, a вращающий момент растет до Мк, который достигается при' критическом скольжении Sк (см.рис. 2.113): Дaль нейшее нарастание частоты вращения (уменьшение 5) приводит к: уменьшению М, который будет . убывать до установившегося • значения, равного противодействующему моменту, приложенному к ротору двигателя. Если ` этот момент соответствует номинальной нагрузке двигателя, установившийся режим работы машины определяется точ-

A на механической характеристике с координатами М = 'МН и - пн. .

Для' построения мeханическoй характеристики трехфазного асинхронного двигателя, выбранного для производственного,меха-

Вначале. определяют величины номинальных скольжений' 's и момента М» , a также критического момента М. Затем из приведен кого выше соотношения находят критическое скольжение

'Непосредственный расчет характеристики в виде зависимости п2 = f .(М) ведется с использованием выражения для определения частоты вращения п 2 и формулы Кпосса:

При этом задают (с небольшим шагом, например 0,05) различные значения, скольжения ;S`. в пределах от .1 (момент запуска) до .0 (идеальный холостой:ход двигателя) и вычисляют величины часто-

ты вращения ротора п2 и моменты M на ' вaлу двигателя, им соответствующие. Результаты расчета удобно свести в таблицу:

По полученным данным строится механическая характеристика п2 =f (M). Отметим, что расчет с использованием .формулы Клосса

ветствие электропривода этому механизму и определить параметры того режима; в котором будет работать система :«электродвигатель -- приводной механизм» (частЬта вращения, вращающий момент дви

гателя,егомощностьвэтомрежиме,величинапотребляемойизсети

зчергии и др.).

. Механические характеристики двигателя и ПМ при этом строят в огтних и тех же осях. Координаты точки пересечения этих кривых

и характеризуют рабочий режим свгстемы. На .рис. 2.1.13 в качестве примера приведены механические характеристики АД и вентилято-

ра; работающего в продолжительном режиме c постоянной. нагрузкой. По координатам их точки пересечения В можно определить частоту вращения h, ротора двигателя, a следовательно, и вала ПМ в рабочем режиме, найти вращающий. момент приводного двигате- ля М,, по величине которого вьУчисли\ть и другие параметры рабочего `режима. Например, значение мощноотй на валу приводного

электродвигателя можно получить из выражения:

Ро = 0,105 Мрпр.^

C учетом того, что активная мощность.. Р 1 подводится к обмоткам статора от сети, она определяется соотношением Р1 = Р2/т, где

— КПД электродвигателя. , , Можно подсчитать количество электроэнергии, потребляемой им

из сети за определенный промежуток времени r W = Р1 t.

2.4.21.Tpexфaзный Ад

воднофазном вкл Хочении

Необходимость работы тpехфазных двигателей по схеме однофаз= ного включения возникает при использовании строительного оборудования на тех объектах стройплощадок,' где имеются однофазные электрические сети (например, осветительные), но отсутствуют

трехфазны е, причем прокладка последних признается нецелесооб-

разной c экономической или других точек зрения.

, ценным свойством таких двигателей является высокий коэффициент .мощности, который может приобретать значения до едини-

цы. Но они .обладают существенным недостатком: припрямом включении в однофазную сеть y них отсутствует пусковой момент. Если слабозагруженньге двигатели малой мощности' можно пустить в ход и «от руки, то этот способ неприменим для более мощных. электроприводов. Поэтому задача пуска трехфазного двигателя от

однофазной сети имеет первостепенное значение.

Один из возможных вариантов ее решения — образование в воздушном зазоре машины вращающегося магнитного поля — эллиптического или кругового. Для этой цели в цепь пусковой обмотки . включают активное сопротивление, катушку индуктивности или

конденсатор. В первом и втором слугаях создается эллиптическое

вращающееся магнитное поле. Если же в качестве фазосдвигающе - го элемента использовать конденсатор, то можно получить вращаютцееся 'магнитное поле, близкое к круговому, a в некоторых случаях и круговое.

Сравнение пуска c указанными элементами показало, что пусковой ток для одного и того же значения момента М получается наи- 'меньшим при пуске с помощью конденсатора. A c ослаблением 'пускового тока уменьшаются колебания напряжения U' в линии, что приводит к улучшению условий пуска вследствие известной пропорциональности между вращающим моментом АД и квадратом приложенного напряжения. Для одинаковых пусковых токов начальный вращающий момент двигателя с конденсатором в цепи пусковой обмотки значительно превосходит момент, получаемый при включении активного сопротивления или 'катушки индуктивности.

Если оставить конденсатор включенным на весь период работы, то улучшатся рабочие характеристики двигателя. Особенно ценным свойством, проявляющимся в этом случае, будет высокий коэффициент мощности, который может приобретать значения, .близкие к единице. При этом двигатель потребляет из сети . ток, пропорционaльный только активной мощности, так как источником реактивной мощности для него является конденсатор.

Величина емкости пускового и рабочего конденсаторов зависит от мощности двигателя. C экономической точки зрения предельной мощностью конденсаторного двигателя считается 1,5 кВт (обозначена на щитке трехфазного АД): стоимость конденсаторов типа КБГМН, образующих рабочую емкость при мощности 1 кВт двигателя серии 4А (п2 = 1500 'об/мйн), примерно равна стоимости двигателя, т. e. составляет . около 100. %. Для мощностей 1,5 и :10 кВт соответственно получим 140 и 270: % от стоимости двигателей. Электрические схемы конденсаторных двигателей представлены на' рис. 2.114.