Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена

РЕФЕРАТ

 

 

Тема:

“РЕЖИМЫРАБОТЫ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.”

 

 

Выполнил:

Ст-т 6-ого куса, 12 гр.,

спец. 1801,

Полукаров А.Н.

 

Проверил:

Булгаков В.В.

 

Самара

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ.

 

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электричес­кая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоян­ной частотой ω₁, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω₂является функцией угловой скорости ротора Ω, которая в свою очередь зависит от вращающего мо­мента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на ста­торе, питаемой от сети переменного тока, и с трехфаз­ной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (при­соединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации дви­гатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2—5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим момен­том. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих поминальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон­струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ­ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна­чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро­странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди­няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка­сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба­вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки поз­воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве­личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег­чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль­ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк­нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача­ются для работы в определенных условиях с определенными техни­ческими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва­ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, Р_н = P_2н;

частота сети f₁;

линейное напряжение статора U_1лн

линейный ток статора I_1лн;

частота вращения ротора n_н;

коэффициент мощности cos φ_1н;

коэффициент полезного действия η_н.

 

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Υ/Δ).

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения п_1н = 60 f₁/р при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах — до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2—5% меньше синхронной; в микродвигателях — на 5—20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65—0,95, в микродвигателях 0,2—0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб­ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига­телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7—0,9; в микро­двигателях 0,3—0,7.

 

 

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫАСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

 

В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь­ко процентов. Поэтому частоту вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в относительных, вводя понятие скольжения:

s = (п _с- п)/п _с,

где п _с— частота вращения поля (синхронная частота вращения); п — частота вращения ротора.

Скольжение выражается либо в относительных единицах (s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в процентах (s - 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и ЭДС обмотки статора и от скольжения:

f ₂ - f ₁ s; Е' ₂ - E ₁ s,

где Е ₁— ЭДС обмотки статора; Е' ₂— ЭДС обмотки ротора, приве­денная к числу витков обмотки статора.

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -∞...+∞ (рис. 2.1),

Рис. 2.1. Механическая характеристи­ка асинхронной машины

 

но не при s = 0, так как в этом случае п - п _с и проводники обмотки ротора неподвижны отно­сительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольже­ний различают несколько режи­мов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s < 0, двигательный при 0 < s < 1, трансформаторный при s = 1 и тормозной при s > 1. В ге­нераторном режиме ротор маши­ны вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном — направления вращения поля статора и ро­тора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: п = п _с(1 - s). В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг дру­га. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой транс­форматор и отличается от него расположением первичной и вторич­ной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля ста­тора и машина создает момент, противоположный моменту, действу­ющему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количе­ство — в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме — кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двига­теля моменты, развиваемые двигателем при различных скольжени­ях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных едини­цах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: М* = M/М_ном. Зависимость М * = f(s) асинхронного двига­теля (рис. 2.2) имеет несколько характерных точек, соответствую­щих пусковому М* _п, минимальному М* _min, максимальному М* _max и но­минальному М* _ном моментам.

Пусковой момент М* _пхарактеризует начальный момент, развивае­мый двигателем непосредственно при включении его в сеть при непо­движном роторе (s - 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 2.2). Обычно М* _min на 10...15 % меньше М* _п. Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М* _min был больше М* _ном, так как они могут достигнуть но­минальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М* _min.

Максимальный момент М* _max характеризует перегрузочную спо­собность двигателя. Если момент сопротивления превышает М* _max, двигатель останавливается. Поэтому М* _max называют также критиче­ским, а скольжение, при котором момент достигает максимума, — критическим скольжением s_кp. Обычно s _крне превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургиче­ских и т. п.) s _кpможет быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s < s _крхарактеристика М - f(s) имеет устойчи­вый характер. Она является рабочей частью механической характе­ристики двигателя. При скольжениях s > s _кр двигатель в нормаль­ных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхо­да на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена

к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом

 

 

Рис. 2.2. Зависимость тока и момента

асинхронного двигателя от скольжения

короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколь­ко раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольже­ниях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению до­пустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

 

 

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫАСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

 

Электромеханическое преобразование энергии может происхо­дить в асинхронной машине в следующих трех режимах:

в режиме двигателя 0 < s < l, Ω₁ > Ω > 0;

в режиме генератора s < 0, Ω > Ω₁;

в режиме тормоза s > 1, Ω < 0.

Кроме того, важны еще два характерных режима работы, в ко­торых электромеханическое преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0, Ω = Ω₁ ) и режим корот­кого замыкания (s = 1, Ω = 0).

В режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного момента Μ > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в сторону поля со скоростью, мень­шей, чем скорость поля (Ω₁ > Ω > 0, 0 < s < 1). В этом режиме

 

Ρ _эм = Μ Ω₁ = > 0; Ρ _мех = Μ Ω = Ρ _э2 > 0.

 

Электрическая мощность Р ₁= Р _эм+ Р _м+ Р _э1 > 0 преобра­зуется в механическую мощность Р ₂ = Р _мех— Ρ _д— Ρ _Ί > 0, пере­даваемую через вал приводимой в движение машины.

Энергетические процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление активной составляющей тока ротора i _2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление электромагнитного момента Μ определяется электромагнитной силой B_mi_2a, действующей на ток i _2a.

Полезная механическая мощность Р ₂оказывается меньше по­требляемой из сети мощности на потери Σ Ρ:

 

Ρ ₂ = Ρ ₁ - Σ Ρ = Ρ ₁ -(Ρ _э1 + Ρ _м +Ρ _э2 + Ρ _д + Ρ _т),

 

И КПД двигателя выражается формулой:

 

η = = 1- = f(s)

 

В режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента М_в > 0, направленного в сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со скоростью, превышаю­щей скорость поля (Ω > Ω₁, s < 0). В этом режиме в связи с изме­нением направления вращения поля (Ω^) относительно ротора активная составляющая тока ротора г'_2а изменяет свое направление иа обратное (по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент Μ = B_mi_2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается отрицательным (М < 0), мощности Р_э„ и Р_тх также отрицательны:

 

Ρ _эм = Μ Ω₁ = < 0; Ρ _мех = Μ Ω = Ρ _э2 < 0.

 

 

Рис. 3.1. Режимы работы асинхронной машины.

а — двигательный;

б — генераторный;

в — тормоза;

г — трансформатора (или короткого замыкания).

 

Направление преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Р_г, подведенная к валу машины, преоб­разуется в электрическую мощность P_lt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

 

Ρ _мех = Ρ _эм - Ρ _э2 < 0 при s < 0

 

по абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):

 

|Ρ _мех| = | Ρ _эм | + Ρ _э2

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в отно­сительных единицах при 1/_х = 1; /₀ = 0,364; cos <р₀ = 0,185; Х_г = Х'₂ = 0,125; К_г = 0,0375; R'_s = 0,0425).