уч. пособие Электротехника. Часть 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ротор вращается несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора изменяется при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель развивает больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки.

При пуске в ход АД частота вращения ротора n равна нулю, скольжение S равно единице. В режиме идеального холостого хода частота вращения ротора nравна частоте вращения магнитного поля n0, скольжение S равно нулю. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах от нуля до единицы. При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме скольжение составляет 2÷5%, а в режиме реального холостого хода – 0,2÷0,7%.

Режим генератора служит для преобразования механической энергии в электрическую, для этого асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля n>n0. Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора. Скольжение Sв режиме двигателя изменяется в пределах от нуля доминус бесконечности.

Режим электромагнитного тормоза наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении. В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идѐт на нагрев машины.Скольжение S в режиме электромагнитного тормоза изменяется в пределах от нуля до бесконечности.

4.4.4. Процессы в асинхронной машине

Основное вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС, аналогичныетрансформатору. Это

91

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

объясняется тем, что при разомкнутом роторе асинхронный двигатель представляет собой трансформатор в режиме холостого хода.

Выражение 4.36 справедливо для ЭДС статора, 4.37 – для ЭДС ротора. Кобм – обмоточные коэффициенты, определяемые способом укладки обмоток (петлевая или волновая). Как правило обмоточный коэффициент равен 0,92 0,98.

Е2s= Е2*S, где Е2 – действующее значение ЭДС неподвижного ротора при S=1, 2 = 1*S.

В АД кроме основного магнитного потока создаются потоки рассеяния. Один охватывает проводники статора, другой ротора. Потоки рассеяния характеризуются соответствующими индуктивными сопротивлениями Х1 и Х2s.

Уравнения электрического состояния фаз обмоток статора и

Электрическая схема замещения асинхронного двигателя согласно приведенным уравнениям представлена на рисунке 4.23.

Рис. 4.23. Схема замещения АД

92

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Потери в АД делятся на потери в статоре и в роторе. Потери в статоре состоят из электрических потерь в обмотке Рэ1 и потерь в стали Рст, а потери в роторе из электрических Рэ2 и механических Рмех. Кроме вышеперечисленных потерь существуют добавочные

потери на трение и вентиляцию Рдоб.

Рэ1 = 3I1R1; Pэ2 = 3I2R2; Рдоб = 0,005Рн; Pмех = К(n0*10- 3)2*(D1*10-2)3 Вт, где К=2,9 3,6 определяется диаметром статора –

D1.

Потери в стали в рабочем режиме во много раз меньше электрических потерь в роторе и ими обычно пренебрегают.Таким образом, кпд асинхронного двигателя составляет от 0,75 до 0,95.

На рисунке 4.24 представлена энергетическая диаграмма для

АД.

Рис. 4.24. Энергетическая диаграмма АД

4.4.5. Электромагнитный момент асинхронной машины

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Электромагнитный момент определяется соотношением:

где СМ – конструктивная постоянная, которая зависит от обмоточного коэффициента обмотки ротора k, числа витков обмотки

ротора w и числа пар полюсов p; I –ток в обмотке ротора; – угол

2 2S 2s

сдвига фаз между током и магнитным потоком.

93

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом, величина электромагнитного момента зависит от результирующего магнитного поля Φ и активной составляющей тока ротора.

Зависимость электромагнитного момента Mот скольжения Sпредставлена на рисунке 4.25.

Рис. 4.25. Зависимость электромагнитного момента M от скольжения S

Момент, развиваемый при пуске двигателя, называется пусковой моментMПУСК (S=1). Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения, называют критическим скольжением SКР, а наибольшее значение критического момента – критическим моментом MКР. Отношение критического момента к номинальному моменту называют перегрузочной способностью двигателя λ:

Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении подводимого напряжения снижается перегрузочная способность АД.

Участок характеристики (рис.4.25), на котором скольжение изменяется от 0 до Sкр, соответствует устойчивой работе двигателя.

94

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На этом участке располагается точка номинального режима при номинальных значениях момента Mн и скольжения Sн. В пределах изменения скольжения от 0 до Sкр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора уменьшается, а следовательно скольжение и электромагнитный (вращающий) момент увеличиваются. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится.

Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от Sкр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и при торможении.

4.4.6. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой АДn=f(M). Эту зависимость получают, используя зависимость M=f(S)при пересчете частоты вращения ротора при разных значениях скольжения. На рисунке 4.26 представлена механическая характеристика АД.

Рис. 4.26. Механическая характеристика АД

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 – неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n=n0. Точка 2 соответствует номинальному

95

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

режиму работы двигателя, ее координаты MН и nН. Точка 3 соответствует критическому моменту MКРи критической частоте вращения nКР. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя MПУСК. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным.

АД имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1–3) мало зависит от нагрузки на валу. Это является одним из достоинств этих двигателей.

4.4.7. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками АД называют графические зависимости частоты вращения п2(или скольжения S),момента на валуМ2, тока статора I1, коэффициента полезного действия η и cosφ1от полезной мощностиР2приU1 = const иf1 = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик АД показан на рисунке 4.27.

Рис. 4.27. Рабочие характеристики АД

Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелинейному закону, что связано с

96

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

магнитной системой двигателя и при Р2= 0 определяется током холостого хода, составляющего до 40% его номинального значения.

Выбор двигателя по каталогу осуществляется следующим образом.

По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружающей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и высоте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяется необходимая перегрузочная способность, кпд, масса и момент инерции.

Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения. Для крановых механизмов двигатели с повышенным скольжением. В нефтяной и газовой промышленности в качестве привода лебедок буровых установок применяются АД с фазным ротором, На промысловых газовых компрессорных станциях с поршневыми компрессорами используются АД с короткозамкнутым роторомво взрывозащищенном исполнении. На станках-качалках применяют АД с короткозамкнутым ротором и с повышенным пусковым моментом.

Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением.

В бытовых приборах используются однофазные двигатели. В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин.

97

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Микромашины используются также в информационных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в системах автоматики и телемеханики. Одним из примеров является сельсин, предназначенный для передачи на расстояние угловых перемещений валов механически не связанных друг с другом.

Для отдельных механизмов, работающих в возвратнопоступательном движении, возможно использование линейных двигателей, подвижная часть которых связана в одну конструкцию с механизмом. В линейном двигателе статор может быть длиннее ротора. Направление движения изменяется путем переключения последовательности фаз. Недостатком таких двигателей является снижение энергетических характеристик кпд и cos , вследствие искажения магнитного поля по краям.

98

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.4.8.Вопросы для самопроверки к разделу 4.4

Почему асинхронный двигатель получил название «асинхронный»?

Из чего состоит статор АМ?

Какие существуют типы роторов в АМ?

Каким существенным недостатком обладает короткозамкнутый ротор?

Каким образом в АМ получают круговое вращающееся магнитное поле?

От чего зависит частота вращения магнитного поля?

Что такое скольжение?

Чему равно скольжение при пуске двигателя?

В каком диапазоне изменяется скольжение в режиме двигателя?

В каком диапазоне изменяется скольжение в режиме генератора?

В каком диапазоне изменяется скольжение в режиме электромагнитного тормоза?

Как называется скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения?

Какая характеристика АД называется механической?

Какие характеристики АД называются рабочими характеристиками?

Какие АД применяют в нефтяной и газовой промышленности в качестве привода лебедок буровых установок?

99

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.5. Электрические машины переменного тока. Синхронные электрические машины.

Синхронная машина (СМ) переменного тока используется с механизмами, требующими постоянного рабочего момента. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.

Конструктивно СМ состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью СМ является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Частота ЭДС переменного тока в СМ зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов:

Действующее значение ЭДС, индуцируемой в проводниках равно:

Взаимодействие вращающегося поля статора и поля постоянного магнита ротора вызывает появление вращающегося момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора, т.е. n = n1.

4.5.1. Синхронныйдвигатель

Схема замещения синхронного двигателя (СД) и векторная диаграмма имеют вид, как показано на рисунке 28.

100