5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

График естественной механической характеристики асинхронного двигателя

Основные характеристики асинхронных электродвигателей

1. Виды электродвигателей

Наибольшее распространение имеет трехфазный асинхронный электродвигатель. Электродвигатели постоянного тока и синхронные применяются редко.

Большинство электрифицированных машин нуждаются в приводе мощностью от 0,1 до 10 кВт, значительно меньшая часть — в приводе мощностью в несколько десятков кВт. Как правило, для привода рабочих машин используются короткозамкнутые трехфазные электродвигатели. По сравнению с фазным такой электродвигатель имеет более простую конструкцию, меньшую стоимость, большую надежность в эксплуатации и простоту в обслуживании, несколько более высокие эксплутационные показатели (коэффициент мощности и коэффициент полезного действия), а при автоматическом управлении требует простой аппаратуры. Недостаток короткозамкнутых электродвигателей — относительно большой пусковой ток. При соизмеримости мощностей трансформаторной подстанции и электродвигателя его пуск сопровождается заметным снижением напряжения сети, что усложняет как пуск самого двигателя, так и работу соседних токоприемников.

Наряду с трехфазными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями основного исполнения применяются также отдельные модификации этих двигателей: с повышенным скольжением, многоскоростные, с фазным ротором, с массивным ротором и т. д. Электродвигатели с фазным ротором применяют и в тех случаях, когда мощность питающей сети недостаточна для пуска двигателя с короткозамкнутым ротором.

Механические характеристики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в значительной мере зависят от формы и размеров пазов ротора, а также от способа выполнения роторной обмотки. По этим признакам

Рис. 1. Кривые моментов M = f(S) асинхронных электродвигателей

различают электродвигатели с нормальным ротором (нормальная беличья клетка), с глубоким пазом и с двумя клетками на роторе. Конструкция ротора короткозамкнутых асинхронных электродвигателей общего назначения мощностью свыше 500 Вт предопределяет явление вытеснения тока в обмотке, эквивалентно увеличению ее активного сопротивления. Поэтому, а также вследствие насыщения магнитных путей потоков рассеивания такие электродвигатели (в первую очередь обмотки ротора) обладают переменными параметрами и аналитические выражения их механических характеристик усложняются. Увеличение активного сопротивления ротора в период пуска вызывает увеличение начального пускового момента при некотором снижении силы начального пускового тока (рис. 1).

2. Основные характеристики электродвигателей

Номинальный режим электродвигателя соответствует данным, указанным на его щитке (паспорте). В этом режиме двигатель должен удовлетворять требованиям, установленным ГОСТом.

Существует восемь различных режимов работы, из них основными можно считать:

· продолжительный номинальный режим;

· кратковременный номинальный режим с длительностью рабочего периода 10, 30 и 90 мин;

· повторно-кратковременный номинальный режим с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40, 60%, с продолжительностью одного цикла не более 10 мин.

Номинальной мощностью Рн электродвигателя называется указанная на щитке полезная механическая мощность на валу при номинальном режиме работы. Номинальная мощность выражается в Вт или кВт.

Номинальная частота вращения nн вала электродвигателя называется указанное на щитке число оборотов в минуту, соответствующее номинальному режиму.

Номинальный момент вращения — момент, развиваемый двигателем на валу при номинальной мощности и номинальной частоте вращения:

Мн — номинальный момент вращения, Н·м (1 кгс·м = 9,81 Н·м ≈ 10 Н·м);

Рн — номинальная мощность, кВт;

nн — номинальная частота вращения, об/мин.

Номинальный к.п.д. hн электродвигателя — отношение его номинальной

мощности к мощности, потребляемой им из сети при номинальном напряжении:

Рн — номинальная мощность, кВт;

Uн — номинальное (линейное) напряжение, В;

Iн — номинальная сила тока, А;

cosφн — номинальный коэффициент мощности.

Номинальной силой тока электродвигателя называется сила тока, соответствующая номинальному режиму. Действительное значение силы тока при номинальном режиме может отличаться от указанного на щитке электродвигателя в пределах установленных допусков для к.п.д. и коэффициента мощности.

Максимальный вращающий момент электродвигателя — наибольший вращающий момент, развиваемый при рабочем соединении обмоток и постепенном повышении момента сопротивления на валу сверх номинального при условии, что напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока остаются неизменными и равными номинальным значениям.

Начальный пусковой вращающий момент электродвигателя — момент вращения его при неподвижном роторе, номинальных значениях напряжения и частоты переменного тока и рабочем соединении обмоток.

Минимальным вращающим моментом электродвигателя в процессе пуска называется наименьший вращающий момент, развиваемый двигателем при рабочем соединении обмоток и частоте вращения в пределах от нуля до значения, соответствующего максимальному вращающему моменту (напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока должны оставаться неизменными и равными их номинальным значениям).

Номинальная частота вращения вала электродвигателя является следующим за мощностью параметром, от которого в значительной мере зависят конструктивное оформление, габариты, стоимость и экономичность работы электропривода. Наиболее приемлемыми в диапазоне мощностей от 0,6 до 100 кВт являются частоты вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин (синхронные). Электродвигатели с частотой вращения 750 об/мин (восьмиполюсные) малых мощностей имеют низкие энергетические показатели. При одинаковой мощности электродвигатели с более высокой частотой вращения имеют более высокие значения к.п.д. и cosφ, а также меньшие размеры и массу, что определяет их меньшую стоимость.

Сила тока холостого хода I в значительной мере определяется силой намагничивающего тока I. приближенно можно считать I = I0P . Для машин

основного исполнения относительное значение силы тока холостого хода

I = (0,2—0,6)Iн (оно тем больше, чем меньше номинальная частота вращения и мощность электродвигателя). Зависимость тока холостого хода от частоты вращения электродвигателя приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Токи холостого хода для двигателей основного исполнения

Среднее значение токов холостого хода

(в долях от силы номинального тока) при синхронной частоте вращения, об/мин

Механические и рабочие характеристики асинхронных электродвигателей

Механической характеристикой АД является зависимость скорости вращения ротора ω2 или скольжения s в функции механического вращающего момента электромагнитного происхождения М при неизменном напряжении сети.

Выражение для электромагнитного вращающего момента АД

(3.11)

где хk — реактивное сопротивление двигателя (Ом), хk = x1 + x2;

г’2 и х’2 — приведенные к статору, соответственно, активное и реактивное сопротивления фазы ротора (Ом);

ω1 — скорость вращения магнитного поля статора (с -1 );

г1 — активное сопротивление фазы статора (Ом);

U — фазное напряжение сети (В).

Выражение (3.11) представляет собой аналитическую качественную зависимость естественной механической характеристики АД (рис.3.3, а), которую можно изобразить кривыми ω(М) — s(М) и s(М) при неизменных параметрах и величине напряжения сети. Искусственные механические характеристики АД получаются изменением параметров r1, r2, x1, x2 и величины напряжения U и частоты f1.

Рис. 3.3Механическая и рабочие характеристики асинхронного двигателя

На графиках (рис. 3.3, а) механических характеристик АД имеются характерные точки его основных режимов возможной работы: точка [М = 0; ω1 = ω2] определяет РХХ; точка [МНН] — РНР; точка [МК; ωК] — режим критического (максимального) вращающего момента и точка [МПН; ω2 = 0] -режим пуска РКЗ. В каталогах на АД приводятся данные последних режимов в виде значений МКН и МПНН.

К рабочим характеристикам (рис. 3.3, б) АД относятся зависимости мощности потребления активной энергии Р, вращающего электромагнитного момента М, скорости ω2, тока в статоре I1, КПД двигателя η, его коэффициента мощности cos и скольжения s в функции механической нагрузки на валу со стороны рабочей машины Р2 при неизменных напряжении сети U1, частоте f1и сопротивлениях обмоток двигателя.

Рабочие характеристики АД в рабочей зоне от РХХ до РНР приведены на рис.3.3, б. Так как Р2= РM2M, то зависимость ω22) подобна механической характеристике ω2(М). График s(Р) определяется нагрузкой Р2 и поведением скорости ω2:

Поведение функции I1(Р) зависит от размагничивающего действия тока ротора I2 и скольжения

Коэффициент мощности АД зависит от нагрузки не линейно и его зависимость определяется соотношением активной Р1 и реактивной Q1 мощностей потребления энергии сети:

(3.12)

Электрическая мощность потребления активной энергии Р1 и вращающий момент М зависят от нагрузки через ток статора I1. Так как

(3.13)

и (3.14)

то

Существенно нелинейная, даже по сравнению с соs φ , зависимость КПД от нагрузки P2 наблюдается из-за неравномерности влияния суммарных потерь мощности ΣΔР в машине: при малых нагрузках в ней преобладают магнитные потери мощности, которые зависят только от напряжения сети и являются практически постоянными; при значительных нагрузках начинают, кроме того, сказываться электрические и механические потери мощности, которые прямо зависят от нагрузки и являются переменными. Так как КПД может быть представлен равенством

Читать еще:  Горит лампочка неисправности двигателя на ланос

(3.15),

то при малых нагрузках справедлива символическая запись:

а при значительных:

Пример. Анализ асинхронных электродвигательных устройств индивидуальных приводов систем рабочих механизмов по каталожным данным и выбор технических средств и мероприятий для их нормальной работы

Пусть необходимо определить параметры заданного электродвига-тельного устройства (ЭДУ) по каталожным данным, построить его естественную механическую характеристику и выбрать технические средства и мероприятия для рационального использования ЭДУ в приводах 20 одинаковых насосных агрегатов.

Цеховая сеть имеет напряжение 220/380 В промышленной частоты f = 50 Гц, а помещение цеха относится к пыльным категории П-1. Расстояние от распределительного пункта (РП) до электронасосных агрегатов не превышает 50м .

Каталожные данные ЭДУ:

Число пар полюсов 2р = 4

Мощность на валу двигателя РH . 28кВт

Скольжение критическое Sк…………………………15%

Коэффициент полезного действия ηH. 90.00%

Коэффициент мощности cos φH. 0.89

Отношение пускового тока К1 = IП/IH . 5.5

Отношение пускового момента βП = МП НН. 1.2

Отношение критического момента βК = МКН. 2.1

Напряжение сети UH. ………….220/380 В

Частота электрическая f1H . …….50 Гц

Двигатель имеет защищенное исполнение и выполнен в чугунном корпусе с лапами, а активное сопротивление фазы его статора при температуре 20°С r1 = 0.08 Ом. Ротор оснащен короткозамкнутой обмоткой.

Расчет параметров

Число пар полюсов

(4.1)

Скорость вращения (с -1 ) магнитного поля статора

(4.2)

Скорость вращения (с -1 ) ротора двигателя

(4.3)

Частота колебаний (Гц) ЭДС и тока в роторной обмотке

(4.4)

Номинальный момент на валу двигателя (Н*м):

(4.5)

Для определения номинальных механических потерь (Вт) двигателя воспользуемся универсальными зависимостями механических потерь [см. 1] Пусть pM = 0.004,тогда

(4.6)

а момент электромагнитного происхождения (Н • м)

(4.7)

Электромагнитный момент ЭДУ МH по величине больше момента на валу за счет механических потерь энергии внутри двигателя.

Пусковой начальный момент (Н • м)

(4.8)

Максимальный (критический) момент (Н • м)

(4.9)

Активная мощность потребления энергии из сети при номинальной нагрузке ЭДУ (Вт)

(4.10)

Номинальная величина электромагнитной мощности (Вт), создаваемая в рабочем зазоре ЭДУ

(4.11)

Мощность электромагнитных потерь (Вт) в роторе

(4.12)

Мощность потерь энергии (Вт) в обмотке и железе статора ЭДУ с учетом потерь рассеяния в рабочем воздушном зазоре

(4.13)

Диаграмма мощностей преобразования энергии в ЭДУ при номинальной нагрузке МH представлена на рис. 4.1. Из нее видно, что наибольшее количество энергии теряется в статоре двигателя, а сравнительно незначительное количество расходуется на покрытие потерь в подшипниковых опорах и на трение о воздух.

Рис4.1Диаграмма потерь мощности в асинхронном двигателе.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Расчет и построение естественных электромеханической и механической характеристик двигателя с последовательным возбуждением , страница 3

Данные двигателя: U = 380/220; Pн = 11 кВт; nн = 953 об/мин; R1 = 0.415 Ом;
x1 = 0.465 Ом; R2 = 0.132 Ом; x2 = 0.27 Ом; Е = 200 В; I = 35.4 А; .

Решение

Расчет механических характеристик асинхронного двигателя будем вести по уточненной формуле Клосса:

где Мк — критический момент; Sk — критическое скольжение; .

Коэффициент приведения сопротивлений:

.

Приведенные значения сопротивлений ротора:

Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

Ом.

Критический момент двигателя при номинальном значении питающего напряжения:

, где — скорость идеального холостого хода.

Критическое скольжение на естественной характеристике:

Уравнение естественной механической характеристики:


С помощью данного уравнения рассчитана естественная механическая характеристика асинхронного двигателя (рис. 9.23, кривая 1). Для построения реостатной механической характеристики при R2доб = 0.3 R определим суммарное приведенное сопротивление роторной цепи:

, где Ом — величина дополнительного сопротивления, вводимого в цепь ротора.

Критическое скольжение на реостатной характеристике:

.

Уравнение реостатной характеристики:

.

Соответствующая этому уравнению реостатная механическая характеристика иимеет вид (рис. 9.23, кривая 2).

Для построения механической характеристики при U1 = 0.7 U = 0.7 × 220 = 154 В определим критический момент:

.

Уравнение искусственной механической характеристики при U1 = 154 В имеет вид:

.

Соответствующая механическая характеристика имеет вид (рис. 9.23, кривая 3).

Пример 17

Для двигателя, рассмотренного в примере 16, рассчитать сопротивления пускового реостата при нормальном режиме пуска в три ступени и при МС = МН, пользуясь аналитическим методом.

Решение

Так как режим пуска нормальный, то переключающий момент (М2) должен превышать статический на (10 — 20)%.

Принимаем М2* = 1.2. Отношение максимального момента при пуске (М1) к моменту переключения М2 находим по формуле /2/:

.

Осуществляем проверку на максимальный (пиковый) момент, который должен быть меньше критического:

Сопротивление ступеней пускового реостата при включении их в одинарную звезду:

Пример 18

Для двигателя, рассмотренного в примере 16, рассчитать сопротивления пускового реостата при нормальном режиме пуска в три ступени и при МС = МН, пользуясь приближенным графическим методом.

Решение

При расчете пусковых сопротивлений приближенным графическим методом исходят из прямолинейности механической характеристики, и расчет ведется, как для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

На рис. 9.24 построены пусковые характеристики двигателя для указанных условий пуска.

Максимальный момент при пуске:

По графику рис. 9.24 определяем сопротивления ступеней пускового реостата:


Сравнивая результаты расчетов сопротивлений в примерах 17 и 18, видим, что расхождение составляет не более 5 %. Поэтому при практических расчетах можно пользоваться любым из рассмотренных методов.

Пример 19

Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором рассчитать и построить естественную и искусственные механические характеристики для двух значений частот тока статора f1 = 35 Гц и f2 = 20 Гц, при регулировании напряжения на статоре по пропорциональному закону: U/f = const.

Данные двигателя: PН = 22 кВт; U = 380/220 В; nН = 727 об/мин; R1 = 0.18 Ом;
X1 = 0.624 Ом; R`2 = 0.153 Ом; X`2 = 0.485 Ом.

Решение

Расчет механических характеристик будем вести согласно методике, приведенной в /2, 11/. При пропорциональном законе частотного регулирования U/f = const электромагнитный момент двигателя определяется по формуле:

где m — число фаз статора; U — фазное номинальное напряжение статора при частоте 50 Гц; f* = f/fН — относительная частота; Сf — коэффициент зависящий от частоты f*.

График естественной механической характеристики асинхронного двигателя

§ 108. Вращающий момент асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя, как указывалось, основан на взаимодействии вращающегося поля и тока, индуктированного этим полем в обмотке ротора.

В результате взаимодействия магнитного потока Φ с током I2, протекающим в проводниках обмотки ротора, возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение.

Поэтому вращающий момент, создаваемый на валу двигателя, зависит от величины тока ротора I2 и от магнитного потока Φ.

Кроме того, на величину вращающего момента асинхронного двигателя влияет сдвиг фаз Ψ2 между током I2 и э.д.с. ротора. Для уяснения влияния cos Ψ2 рассмотрим картину электромагнитных сил, действующих на проводники ротора.

Рассмотрим сначала случай, когда индуктивность обмотки ротора мала и поэтому сдвигом фаз между током и э.д.с. можно пренебречь (рис. 255, а). Вращающееся магнитное поле статора здесь заменено полем полюсов N и S, вращающимся, предположим, по направлению часовой стрелки. Пользуясь правилом «правой руки», определяем направление э.д.с. и токов в обмотке ротора. Токи ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создают момент вращения. Направления сил, действующих на проводники с током, определяются по правилу «левой руки». Как видно из чертежа, ротор под действием электромагнитных сил будет вращаться в ту же сторону, что и само вращающееся поле, т. е. по часовой стрелке.

Читать еще:  Бмв глохнет когда холодный двигатель


Рис. 255. Электромагнитные силы, действующие на проводники ротора: а — при отсутствии индуктивности, б — при наличии индуктивности

Рассмотрим второй случай, когда индуктивность обмотки ротора относительно велика. В этом случае сдвиг фаз между током ротора I2 и э.д.с. ротора будет также значительным. На рис. 255, б магнитное поле статора асинхронного двигателя по-прежнему показано в виде вращающихся по направлению часовой стрелки полюсов N и S. Направление индуктированной в обмотке ротора э.д.с. остается таким же, как и на рис. 255, а, но вследствие запаздывания тока по фазе максимум тока I2 наступает позднее, чем максимум э.д.с.

На рис. 255 показано направление индуктированных токов в отдельных проводниках ротора в рассматриваемый момент времени, а также направления отдельных электромагнитных сил, действующих на проводники. Если Ψ2 = 0, то все электромагнитные силы будут действовать согласованно. При большем Ψ2 часть электромагнитных сил создают вращающий момент, направленный по часовой стрелке, а остальные силы — против часовой стрелки.

Магнитный поток Φ не зависит от скорости вращения ротора n. Следовательно, вращающий момент М пропорционален только активной составляющей тока ротора I2 cos Ψ2. Индуктивное сопротивление ротора Х2 = 2πfL2, а следовательно, и величина cos Ψ2 зависят от частоты тока ротора f2 и поэтому с изменением нагрузки на валу ротора изменяется не только величина тока I2, но и величина cos Ψ2. Таким образом, изменение вращающего момента, развиваемого двигателем, с изменением скорости вращения (и скольжения) определяется одновременно как изменением тока I2, так и изменением cos Ψ2.

На основании математического анализа и экспериментального исследования можно построить график зависимости вращающего момента асинхронного двигателя М от скольжения S (рис. 256). Так как каждому значению S соответствует определенное значение n = n (1 — S), то указанный график можно представить и как зависимость вращающего момента от скорости n. Зависимость между вращающим моментом М и скольжением S называется механической характеристикой двигателя (рис. 256).


Рис. 256. Механические характеристики асинхронного двигателя

На кривой А видно, что в начальный момент пуска, когда S = 1 и n = 0, вращающий пусковой момент двигателя относительно невелик. Это объясняется тем, что в момент пуска частота тока в обмотке ротора наибольшая и индуктивное сопротивление обмотки велико. Вследствие этого cos Ψ2 имеет малое значение (около 0,1-0,2). Поэтому, несмотря на большую величину пускового тока, пусковой вращающий момент будет наибольшим. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается.

При некотором скольжении S1, называемом критическим, вращающий момент двигателя будет иметь максимальное значение. При дальнейшем уменьшении скольжения (или, иначе говоря, при дальнейшем увеличении скорости вращения двигателя) вращающий момент будет быстро уменьшаться и при скольжении S = 0 момент двигателя будет равен нулю. Этот режим соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не нагружен, а механическими потерями (на трение) можно пренебречь.

Пусковой момент можно увеличить, если в момент пуска уменьшить сдвиг фаз между током и э.д.с. ротора. Если увеличить активное сопротивление цепи ротора, то угол Ψ2 уменьшится, что приведет к тому, что cos Ψ2 и вращающий момент двигателя станут больше.

Этим пользуются на практике для увеличения пускового вращающего момента двигателя. В момент пуска в цепь ротора вводят активное сопротивление (пусковой реостат), которое затем выводят по мере разгона двигателя.

Увеличение пускового момента приводит к тому, что максимальный вращающий момент двигателя получается при большем скольжении (точка S2 кривой В на рис. 256). Путем увеличения активного сопротивления цепи ротора при пуске можно добиться того, что максимальный вращающий момент будет в момент пуска (S = 1 кривой С).

Вращающий момент, развиваемый асинхронным двигателем, как указывалось, зависит от величины магнитного потека Φ. При снижении приложенного напряжения U1 уменьшается магнитный поток Φ, а следовательно, и вращающий момент, развиваемый двигателем при данной скорости вращения.

Теория и практика показывают, что вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, поэтому даже небольшое уменьшение напряжения сети сопровождается резким уменьшением момента.

Кривая А называется естественной механической характеристикой, а кривые В и С — реостатными механическими характеристиками асинхронного двигателя.

Работе двигателя с номинальной нагрузкой соответствует точка N на кривой A.

При скольжении Sн двигатель развивает номинальный момент Mн.

Ранее было указано, что путем увеличения активного сопротивления цепи роторной обмотки можно увеличить вращающий момент двигателя. Можно было бы сделать роторную обмотку большего сопротивления, но это вызвало бы значительный нагрев обмотки и уменьшение к.п.д. двигателя. Для улучшения пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют двигатели с двумя короткозамкнутыми обмотками на роторе и двигатели с глубоким пазом.

Двигатель с двумя клетками (короткозамкнутыми обмотками) был предложен Доливо-Добровольским. На роторе такого двигателя помещают две клетки (рис. 257): одну — пусковую, имеющую большое активное сопротивление и малое индуктивное сопротивление, и другую — рабочую, обладающую наоборот, малым активным сопротивлением и большим индуктивным сопротивлением.


Рис. 257. Двуклеточный ротор: а — общий вид ротора с частичным разрезом, б — разрез паза; 1 — нижняя рабочая клетка, 2 — верхняя пусковая клетка

Стержни пусковой клетки изготовляют обычно из латуни. Материалом рабочей клетки служит медь. Сечение рабочей клетки делается больше сечения пусковой клетки. В результате подбора материала и сечения клеток активное сопротивление пусковой клетки получается в четыре — пять раз больше сопротивления рабочей клетки.

Как видно на рис. 257, б, между стержнями пусковой и рабочей обмоток имеется узкая щель, размеры которой определяют индуктивность нижней рабочей клетки. Рассмотрим работу двуклеточного двигателя.

Индуктивность рабочей клетки больше, так как она сцеплена с большим числом магнитных линий.

В момент пуска двигателя, когда частота токов ротора равна частоте сети, индуктивное сопротивление этой клетки особенно велико. Благодаря этому сдвиг фаз между током рабочей клетки и э.д.с., индуктированной в ней, будет большим, а момент вращения, создаваемый клеткой, — малым. Ввиду большого активного сопротивления и малой индуктивности верхней пусковой клетки ток и э.д.с., индуктированные в ней, будут незначительно сдвинуты по фазе, и вращающий момент, развиваемый пусковой клеткой, будет большим. Следовательно, при пуске вращающий момент двигателя получается преимущественно за счет пусковой клетки.

С увеличением скорости двигателя частота токов ротора уменьшается, индуктивное сопротивление клеток оказывает на работу двигателя все меньшее влияние и поэтому распределение токов в клетках определяется только их активным сопротивлением. Но, как было указано выше, активное сопротивление рабочей клетки в несколько раз меньше сопротивления пусковой клетки. Поэтому при нормальной работе двигателя большая часть тока проходит по рабочей клетке и вращающий момент получается преимущественно за счет рабочей клетки.

На рис. 258 показана зависимость вращающего момента двигателя с двуклеточным ротором от величины скольжения. На диаграмме кривая 1 показывает изменение момента, создаваемого пусковой обмоткой, кривая 2 — изменение момента, создаваемого рабочей обмоткой. Сумма мгновенных значений моментов двух обмоток дает кривую М момента двуклеточного двигателя.


Рис. 258. Кривые моментов двигателя с двуклеточным ротором

Более простым в изготовлении является ротор, у которого обе клетки заливают алюминием. На рис. 259 показаны внешний вид и частичный разрез ротора с двойной литой алюминиевой клеткой.


Рис. 259. Ротор с двойной алюминиевой клеткой

Двуклеточный двигатель дороже асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обычной конструкции на 20-30%. Наши заводы изготовляют двуклеточные двигатели от 5 до 2000 квт.

Наряду с двуклеточным двигателем применяются двигатели с глубоким пазом (рис. 260). Отношение длины паза к ширине берется в пределах 10-12. Нижняя часть паза сцеплена с большим числом магнитных линий, чем верхняя часть паза. Вследствие этого индуктивное сопротивление нижней части паза больше, чем верхней, в особенности в момент пуска. Это приводит к вытеснению тока ротора в верхнюю часть стержней обмотки. Плотность тока в верхних слоях стержня увеличивается, что равносильно уменьшению сечения стержней и увеличению активного сопротивления обмотки. Это, как известно, приводит к увеличению вращающего момента двигателя. Кроме того, увеличение индуктивного и активного сопротивления обмотки ротора вызывает уменьшение пускового тока. С увеличением скорости двигатель приобретает свойства, соответствующие его обычной конструкции.

Читать еще:  Глухой стук при холодном двигателе


Рис. 260. Ротор с глубоким пазом: а — общий вид с частичным разрезом, б — разрез паза

В табл. 11 приведены пусковые характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором нормального исполнения, двуклеточного двигателя и двигателя с глубоким пазом. Пусковые свойства даются в виде отношения пускового тока Iп к номинальному току Iн и в виде отношения пускового момента Мn к номинальному моменту Мн.


Таблица 11. Пусковые характеристики двигателей с короткозамкнутым ротором

Механические характеристики асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели являются основными двигателями, которые наиболее широко используются как в промышленности, так и в агропромышленном производстве. Они обладают существенными преимуществами перед другими типами двигателей: просты в эксплуатации, надежны и имеют низкую стоимость.

В трехфазном асинхронном двигателе при подключении обмотки статора к сети трехфазного переменного напряжения создается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них ЭДС, под воздействием которой в роторе появляются ток и магнитный поток. Взаимодействие магнитных потоков статора и ротора создает вращающий момент двигателя. Появление в обмотке ротора ЭДС, следовательно, и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями вращения магнитного поля статора и ротора. Это различие в скоростях называют скольжением.

Скольжение асинхронного двигателя — это мера того, насколько ротор отстает в своем вращении от вращения магнитного поля статора. Оно обозначается буквой S и определяется по формуле

, (2.17)

где w — угловая скорость вращения магнитного поля статора (синхронная угловая скорость двигателя); w — угловая скорость ротора; ν – частота вращения двигателя в относительных единицах.

Скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты тока питающей сети f и числа пар полюсов р двигателя: . (2.18)

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя можно вывести на основе упрощенной схемы замещения, приведенной на рис.2.11. В схеме замещения приняты следующие обозначения: Uф — первичное фазное напряжение; I1 — фазный ток в обмотках статора; I2́ — приведенный ток в обмотках ротора; X1 – реактивное сопротивление обмотки статора; R1, R 1 2 – активные сопротивления в обмотках соответственно статора и приведенного ротора; X2΄- приведенное реактивное сопротивление в обмотках ротора; R, X — активное и реактивное сопротивления контура намагничивания; S – скольжение.

В соответствии со схемой замещения на рис.2.11 выражение для тока ротора имеет вид

. (2.19)

Рис. 2.11. Схема замещения асинхронного двигателя

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения Мw S=3(I2΄) 2 R2΄ по формуле

. (2.20)

Подставив значение тока I2΄ из формулы (2.19) в формулу (2.20), определяем вращающий момент двигателя в зависимости от скольжения, т.е. аналитическое выражение механической характеристики асинхронного двигателя имеет вид

. (2.21)

График зависимости M=f(S) для двигательного режима представлен на рис.2.12. В процессе разгона момент двигателя изменяется от пускового Mn до максимального момента, который называется критическим моментом Mк. Скольжение и скорость двигателя, соответствующие наибольшему (максимальному) моменту, называют критическими и обозначают соответственно Sк , wк. Приравняв производную нулю в выражении (2.21), получим значение критического скольжения Sk, при котором двигатель развивает максимальный момент:

, (2.22)

где Хк=(Х12΄) – реактивное сопротивление двигателя.

Рис.2.12. Естественная механическая характеристика асинхронного электродвигателяРис.2.13. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при изменении напряжения сети

Для двигательного режима Sк берется со знаком “плюс”, для сверхсинхронного — со знаком “минус”.

Подставив значение Sк (2.22) в выражение (2.21), получим формулы максимального момента:

а) для двигательного режима

; (2.23)

б) для сверхсинхронного торможения

(2.24)

Знак “плюс” в равенствах (2.22) и (2.23) относится к двигательному режиму и к торможению противовключением; знак “минус” в формулах (2.21), (2.22) и (2.24) — к сверхсинхронному режиму двигателя, работающего параллельно с сетью (при w>w).

Как видно из (2.23) и (2.24), максимальный момент двигателя, работающего в режиме сверхсинхронного торможения, будет больше по сравнению с двигательным режимом из-за падения напряжения на R1 (рис. 2.11).

Если выражение (2.21) разделить на (2.23) и произвести ряд преобразований с учетом уравнения (2.22), можно получить более простое выражение для зависимости M=f(S):

, (2.25)

где коэффициент.

Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора R1, т.к. у асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт сопротивление R1 значительно меньше Хк, можно приравнять а ≈ 0, получаем более удобную и простую для расчетов формулу определения момента двигателя по его скольжению (формула Клосса):

. (2.26) Если в выражение (2.25) вместо текущих значений M и S подставить номинальные значения и обозначить кратность моментов Mк/Mн через kmax, получим упрощенную формулу для определения критического скольжения:

. (2.27)

В (2.27) любой результат решения под корнем брать со знаком “+”, ибо при знаке “-” решение данного уравнения не имеет смысла. Уравнения (2.21), (2.23), (2.24), (2.25) и (2.26) являются выражениями, описывающими механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 2.12).

Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя можно получить за счет изменения напряжения или частоты тока в питающей сети либо введения добавочных сопротивлений в цепь статора или ротора.

Рассмотрим влияние каждого из названных параметров (U, f, Rд) на механические характеристики асинхронного двигателя.

Влияние напряжения питающей сети.Анализ уравнений (2.21) и (2.23) показывает, что изменение напряжения сети влияет на момент двигателя и не влияет на его критическое скольжение. При этом момент, развиваемый двигателем, изменяется пропорционально квадрату напряжения:

М≡ kU 2 , (2.28)

где k – коэффициент, зависящий от параметров двигателя и скольжения.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения сети представлены на рис 2.13. В данном случае Uн= U1>U2>U3.

Влияние добавочного внешнего активного сопротивления, включенного в цепь статора. Добавочные сопротивления вводят в цепь статора для уменьшения пусковых значений тока и момента (рис.2.14а). Падение напряжения на внешнем сопротивлении является в данном случае функцией тока двигателя. При пуске двигателя, когда величина тока большая, напряжение на обмотках статора снижается.

Рис.2.14. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя при включении активного сопротивления в цепь статора

При этом согласно уравнениям (2.21), (2.22) и (2.23) изменяются пусковой момент Мп, критический момент Мк и угловая скорость ωк. Механические характеристики при различных добавочных сопротивлениях в цепи статора представлены на рис.2.14б, где Rд2>R д1.

Влияние добавочного внешнего сопротивления, включенного в цепь ротора. При включении добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя с фазным ротором (рис.2.15а) его критическое скольжение повышается, что объясняется выражением .

Рис.2.15. Схема включения (а) и механические характеристики (б) асинхронного двигателя с фазным ротором при включении добавочного сопротивления в цепь ротора

В выражение (2.23) величина R / 2 не входит, так как эта величина не влияет на МК, поэтому критический момент остается неизменным при любом R / 2. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных добавочных сопротивлениях в цепи ротора представлены на рис.2.15б.

Влияние частоты тока питающей сети. Изменение частоты тока влияет на величину индуктивного сопротивления Xк асинхронного двигателя и, как видно из уравнений (2.18), (2.22), (2.23) и (2.24), оказывает влияние на синхронную угловую скорость w, критическое скольжение Sк и критический момент Mк. Причем ; ; wºf, где C1, C2 — коэффициенты, определяемые параметрами двигателя, не зависящими от частоты тока f.

Механические характеристики двигателя при изменении частоты тока f представлены на рис.2.16.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector