Режимы работы асинхронных двигателей
Министерство
Образования Российской Федерации
Самарский
Государственный Технический Университет
Кафедра
«Электромеханика и нетрадиционная
энергетика»
РЕФЕРАТ
Тема:
“РЕЖИМЫ РАБОТЫ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.”
Выполнил:
Ст-т
6-ого куса, 12 гр.,
спец.
1801,
Полукаров
А.Н.
Проверил:
Булгаков
В.В.
Самара
2006
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 ω2 является 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, Рн = P2н;
частота сети f1;
линейное напряжение статора U1лн
линейный ток статора I1лн;
частота вращения ротора nн;
коэффициент мощности cos φ1н;
коэффициент полезного действия ηн.
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 п1н = 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 РАБОТЫ АСИНХРОННОГО 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 = (пс - п)/пс,
где пс
— 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:
f2 - f1s; Е'2 - E1s,
где Е1—
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 - пс 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 = пс(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/Мном. 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*п характеризует 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 sкp. Обычно sкр не превышает
0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургических
и т. п.) sкp может быть значительно большим.
В диапазоне 0 < s < sкр характеристика М - f(s) имеет устойчивый характер. Она является рабочей
частью механической характеристики двигателя. При скольжениях s > sкр 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 РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ
Электромеханическое преобразование энергии может происходить
в асинхронной машине в следующих трех режимах:
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
Ρэм = ΜΩ1 = > 0; Ρмех
= ΜΩ =
Ρэ2 > 0.
Электрическая мощность Р1 = Рэм
+ Рм + Рэ1 > 0 преобразуется
в механическую мощность Р2 = Рмех — Ρд — ΡΊ > 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 i2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление
электромагнитного момента Μ определяется электромагнитной силой Bmi2a, действующей на ток i2a .
Полезная
механическая мощность Р2 оказывается меньше потребляемой
из сети мощности на потери ΣΡ:
Ρ2 = Ρ1-ΣΡ = Ρ1 -(Ρэ1 + Ρм+Ρэ2 + Ρд
+ Ρт),
И КПД двигателя выражается формулой:
η = =
1- = f(s)
В режиме
генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента
Мв > 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 = Bmi2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля
и считается отрицательным (М < 0), мощности Рэ„ и Ртх
также отрицательны:
Ρэм = ΜΩ1
= < 0; Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 < 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 Рг, подведенная к валу машины, преобразуется в
электрическую мощность Plt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда
положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло),
механическая мощность:
Ρмех = Ρэм - Ρэ2 < 0 при s < 0
по абсолютному значению больше, чем
электромагнитная (рис. 3.2):
|Ρмех| = | Ρэм | + Ρэ2
Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в относительных
единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos
<р0 = 0,185; Хг = Х'2 =
0,125; Кг = 0,0375; R's = 0,0425).
По той же причине
потребляемая механическая мощность
P2 = P1 - ΣΡ < 0
по абсолютному значению на потери больше
электрической мощности, отдаваемой в сеть:
|Ρ2| = | Ρ1 | + ΣΡ,
и КПД генератора
η = = 1-.
В режиме
тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв
< 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины
вращается в сторону, противоположную полю (Ω<0,
s = >1).
В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний
момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля Ω.5 относительно ротора остается таким
же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным
(М > 0). Однако, поскольку Ω < 0, механическая мощность оказывается отрицательной:
Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 < 0
Это означает,
что она подводится к асинхронной машине. Электромагнитная мощность в этом
режиме положительна:
Ρэм = ΜΩ1
= > 0
Это означает, что она поступает из
сети в машину.
Подведенные к ротору машины со стороны сети |Ρэм| и вала |Ρмех| мощности превращаются в электрические потери Рэ2
в сопротивлении ротора R'2 (рис.
3.2):
|Ρмех| + | Ρэм | = Ρэ2 + Ρэ2 = Ρэ2 = m1 R'2(I '2)2 .
Асинхронная машина в этом режиме может быть использована для
притормаживания опускаемого подъемным краном груза. При этом мощность | Ρмех | = | ΜΩ | поступает в ротор машины (см. рис.
3.1).
В режиме идеального холостого хода внешний вращающий момент Μв, момент трения Μт = Ρт/Ω и момент, связанный с добавочными
потерями, Мд = Ρд/Ω равны нулю. Ротор вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М =
0, Рмех = ΜΩ = 0).
В режиме идеального холостого хода внешний момент, приложенный к валу
машины, равен нулю (Мв = 0). Считается также, что
отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той
же угловой скоростью, что и вращающееся поле (Ω = Ω1), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи в обмотке ротора не индуктируются (I2=0), и электромагнитный момент,
уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).
Режим холостого хода асинхронной машины аналогичен режиму холостого хода
трансформатора. В асинхронной машине и в трансформаторе ток в этом режиме
имеется только в первичной обмотке I1 ≠ 0, а во вторичной —
отсутствует (I2 = 0); в машине и в трансформаторе
магнитное поле образуется в этом режиме только первичным током, что позволяет
называть ток холостого хода намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от трансформатора система токов I0 в фазах многофазной обмотки статора образует
вращающееся магнитное поле.
По аналогии с трансформатором уравнение напряжений необходимо составить
при холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной
обмоткой:
,
где — ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся магнитным
полем с потоком Фга;
— фазное напряжение первичной сети;
R1, Х1 — активное и индуктивное
сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).
В силу малости падений напряжений X1I0 и R1I0 напряжение почти полностью уравновешивается ЭДС т. е. = -.
В режиме холостого хода R'мех = R'2 = ∞, ток R'2 = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z1 + Z0 (Т-образная и Г-образная схемы не
отличаются друг от друга).
В режиме короткого замыкания под действием внешнего момента Μ в, уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор
удерживается в неподвижном состоянии (Ω = 0, s = = 1) и не совершает полезной механической
работы (Рмех = Μ Ω =
0).
Направление тока i2a и
электромагнитного момента Μ остается таким же, как в режиме двигателя, и Μ > 0 (см. рис. 3.1, г).
Электромагнитная мощность Рэм = ΜΩ1 > 0 — она поступает в ротор из
статора и превращается в электрические потери (Рэм = = Рэ2).
В этом режиме асинхронная машина работает как коротко-замкнутый со вторичной
стороны трансформатор, отличаясь от него только тем, что в ней существует
вращающееся поле взаимной индукции вместо пульсирующего поля в трансформаторе.
В режиме короткого замыкания R'мех = R'2 = 0 и сопротивление схемы замещения по
рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z'2. Имея в виду, что |Z1 + Z'2|
« |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать сопротивление схемы
замещения при коротком замыкании равным
Zк = Z1 + Z'2
= Rк + jXк
(43-3)
где
Rк= R1+ R'2
Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить
симметричную систему дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д,
то она будет работать как трансформатор, преобразующий электрическую энергию,
поступающую из первичной сети, в электрическую энергию с другими параметрами,
потребляемую дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д.
Поэтому режим при s = 1 называется
также режимом трансформатора.
Изменить режим работы асинхронной машины или скольжение
машины в данном режиме (при U1 = const и f1 = const) можно только путем изменения внешнего момента Мв,
приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор
вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0)
и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал
ротора внешнего момента Мв, направленного против
направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не
появится электромагнитный момент Μ = f(s), который уравновесит момент Мв. Машина
переходит в режим двигателя s = > 0. Наоборот, при воздействии
внешнего момента Мв направленного по вращению поля, скорость ротора
делается большей, чем скорость поля (Ω > Ω1), и
машина переходит в режим генератора (s=<0).
Наконец, к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя,
изменяя внешний момент Мв таким образом, чтобы ротор
сначала остановился, а затем пришел во вращение в противоположную сторону (по
отношению к полю).
4.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Иванов-Смоленский А. В. Электрические
машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с., ил.
2. Вольдек А. И. Электричесие машины.
Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л., «Энергия», 1974.
3. Проектирование электрических машин:
Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк., 2002. – 757 с.: ил.