Конспект лекций - Электромеханические системы

1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

32

Модуль 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Тема 3.1 Основные понятия и соотношения для трехфазных асинхронных

двигателей Цель и задачи: изучить основные соотношения для трехфазных асинхронных двигателей

Учебные вопросы:

1.Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

2.Асинхронный двигатель с фазным ротором.

3.Основные соотношения для трехфазных асинхронных двигателей.

Трехфазные асинхронные двигатели составляют основу современного ЭП. От ДПТ их отличает простота конструкции, надежность, высокие техникоэкономические показатели. Уступают ДПТ по регулировочным свойствам.

По конструкции ротора АД (асинхронные двигатели) разделяются на:

-двигатели с короткозамкнутым ротором;

-двигателем с фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор не имеет выводов, т.к. его обмотка выполнена в виде коротко-замкнутой клетки: ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных по периметру сердечника ротора, замкнуты с двух сторон кольцами.

Фазный ротор имеет трехфазную катушечную обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Одни концы этой обмотки соединены в нулевую точку (т.е. обмотка соединена «звездой», а другие подключены к трем контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. На кольца положены щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой ротора.

33

Ад с фазным ротором более сложны и дорогостоящи, нуждаются в периодическом уходе. Используются в тех случаях, когда АД с КЗР по своим пусковым или регулируемым свойствам неприменимы.

Ротор асинхронный машины и вращающееся магнитное поле статора вращаются с разными скоростями, т.е. асинхронно. В этих условиях вращающееся поле статора индуцирует ЭДС в обмотке ротора. В рабочих режимах разница в частотах вращения ротора и статора невелика и составляет лишь несколько %.

При рассмотрении рабочих процессов АД пользуются понятием скольжение S, измеряемого в % или в долях единиц.

Для трехфазных асинхронных двигателей справедливы следующие соотноше-

ния:

1)Момент на валу двигателя в номинальном режиме, Нм

2)Электромагнитный момент АД, Нм

где r`2 и x`2 приведенные значения активного и индуктивного сопротивления обмотки ротора, Ом·мм;

r1 и x1 активное и реактивное сопротивления обмотки статора, Ом; m1=3 – число фаз в обмотке статора (для трехфазного Д);

«+» - соответствует значениям скольжения S>0 (двигательный режим); «-» - S<0 (Генераторный режим);

34

Значения сопротивлений обмоток АД обычно не приводятся, поэтому пользуются упрощенной формулой:

где SKP – критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту ММАХ.

3)Номинальное значение тока в фазной обмотке статора, А

где Р1НОМ – мощность, потребляемая двигателем из сети в номинальном

где U1 – напряжение подведенное к обмотке статора (фазное напряжение), В; cosφНОМ – коэффициент мощности двигателя в номинальном режиме.

4) В каталогах Ад приводятся значения ряда параметров в виде кратности по отношению к номинальному значению этого параметра:

- кратность максимального момента

35

6) Критическое скольжение АД:

Вопросы для самопроверки

1)Как асинхронные двигатели различаются по конструкции ротора?

2)Почему двигатели получили название «асинхронные»?

3)Какие возможны синхронные частоты вращения?

4)Дайте определение понятию скольжения?

5)Как рассчитать номинальную частоту вращения ротора через известное номинальное скольжение и наоборот?

6)Какие кратности приводятся в справочниках АД?

7)Как рассчитать номинальный момент двигателя через известную мощность?

Список литературы:

1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

Тема 3.2. Режимы работы асинхронного двигателя

Цель и задачи: знать вид механической характеристики АД и ее характерные точки и области.

Учебные вопросы:

1.Механическая характеристика АД во всех энергетических режимах.

2.Характерные точки механической характеристики АД в двигательном режиме.

На рис.3.2. представлена механическая характеристика АД в различных режимах его работы.

36

n

Генераторный режим рекуперативного тор-

можения

nкр. Г

Мn

n0=n1

nкр. Д

Двигательный режим

Мmax Д

Тормозной режим противовключением

Рис.3.2. Механическая характеристика АД в различных режимах

Двигательный (основной) режим – при частоте вращения от 0 до n1 (синхронная частота вращения).

Генераторный режим рекуперативного торможения при частоте от n1 до +∞. Тормозной режим противовключением, при частоте вращения от 0 до - ∞. На механической характеристике:

Мп – пусковой момент АД; ММАХД – максимальный момент двигательного режима;

nКРД – критическая частота вращения двигательного режима, т.е. частота, соответствующая максимальному моменту в двигательном режиме ММАХД;

ММАХГ – максимальный момент генераторного режима (режима рекуперативного торможения);

nКРГ – критическая частота генераторного режима, т.е. частота соответствую-

щая ММАХГ;

n0=n1 – пограничная частота вращения соответствующая переходу двигательного режима АД в генераторный; представляет собой частоту вращения идеального холостого хода двигателя.

Рассмотрим более подробно участок механической характеристики в двигательном режиме (рис.3.3).

Участок механической характеристики двигательного режима М=f(n) расположен в диапазоне частот 0<n<n1 и имеет 5 характеристических точек:

-т. «А» - с координатами n=n1; М=0 (режим идеального холостого хода)

-т. «В» - n=nHOM ; M=MHOM (режим номинальной нагрузки)

-т. «С» - n=nKP ; M=MMAX (критический режим работы)

-т. «К» - n=0; M=Mn (режим короткого замыкания – пуск двигателя)

-т. «Е» - минимальный момент Mmin

37

Участок АС – РАБОЧИЙ УЧАСТОК механической характеристики, т.к. устойчивая работа АД возможна только на этом участке.

n

n1 A В1

B11

n``

C

nкр

Рис.3.3. Участок механической характеристики в двигательном режиме

Допустим АД работал в номинальном режиме т. В с координатами nHOM и МНОМ. Затем произошло некоторое уменьшение статического момента нагрузки до М`С , что привело к увеличению частоты вращения ротора до n` и уменьшению электромагнитного момента до М`. При этом устойчивая работа восстановится, но в режиме В`. Аналогично для режима В``.

В режиме т.С, когда электромагнитный момент достигает ММАХ наступает предел устойчивой работы: дальнейшее увеличение нагрузки вызовет уменьшению электромагнитного момента двигателя, что приведет к уменьшению частоты вращения n до тех пор пока двигатель не остановится (точка К). При этом наступит режим короткого замыкания.

Для того, чтобы работа двигателя была устойчивой и случайные кратковременные перегрузки не вызвали нарушение работы ЭП, необходимо чтобы Д обладал перегрузочной способностью:

обычно λм=1,7÷3.

Максимальное значение момента приближенно:

где ХК=Х1+Х`2 – индуктивное сопротивление обмоток двигателя в режиме К3; «+» - двигательный режим и генераторный режим противовключением; «-» - генераторное рекуперативное торможение.

38

Ммах ~ U12 – квадрату, подводимого к двигателю напряжения и не зависит от активного сопротивления ротора r`2.

Втоже время критическое скольжение SКР (критическая частота вращения nКР)

~r`2, но не зависит от U1.

Следовательно ↓ r`2 при U1=const, Ммах будет const, а SКР↑.

На рис.3.3 показаны механические характеристики АД для ряда нарастающих значений активного сопротивления ротора. С ростом активного сопротивления увеличивается протяженность рабочего участка.

При сопротивлении r`24 вся механическая характеристика становится рабочим участком, а критическая частота вращения nКР=0.

В приближении рабочий участок механической характеристики представляет собой прямую линию и для её построения необходимы координаты двух точек

-т. холостого хода с координатами n1 и М=0;

-т. номинального режима nHOM и МНОМ.

r`22 r`23

r`24

Мп1 Мп2 Мп3 Мп4 М

Рис.3.3. Механические характеристики АД при изменении сопротивления ротора (r`21< r`22< r`23< r`24)

Построенная по этим точкам характеристика является естественной механической характеристикой АД.

Вопросы для самопроверки

1)В каком режиме механическая характеристика АД находится в области отрицательных моментов?

2)Отобразите механическую характеристику АД с отображением всех характерных точек.

Список литературы:

1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

39

Тема 3.3. Регулирование частоты вращения ЭП с асинхронным двигателем

Цель и задачи: изучить основные способы регулирования скорости асинхронных двигателей, вид механических характеристик при этом и техническую реализацию каждого способа.

Учебные вопросы:

1.Реостатное регулирование АД с фазным ротором.

2.Регулирование изменением числа пар полюсов.

3.Регулирование изменение подводимого напряжения.

4.Частотное регулирование.

Из выражения частоты вращения АД:

(3.20)

следует, что при постоянном статическом нагрузочном моменте МС на валу двигателя частота вращения ротора n зависит от:

-частоты переменного тока в питающей сети f1;

-числа пар полюсов в обмотке статора р;

-скольжения S.

Регулирование частоты вращения АД возможно изменением любого из перечисленных параметров.

3.3.1. Реостатное регулирование АД с фазным ротором

В АД с ФР частоту вращения регулируют введением в цепь ротора резистора rдоб в виде регулировочного реостата РР (рис.3.5).

М

При RPP=0 частота max и при номинальной нагрузке она равна nHOM.

40