18253

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Лекция

Физика

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Вращающееся магнитное поле двухфазного тока. Рассмотрим образование вращающегося магнитного поля на примере двухфазного синусоидального тока и двух катушек сдвинутых в пространстве одна относите

Русский

2013-07-07

459.5 KB

23 чел.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Вращающееся магнитное поле двухфазного тока.

Рассмотрим образование вращающегося магнитного поля на примере двухфазного синусоидального тока и двух катушек, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на угол 90°.

Катушка 1 создает магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны ее плоскости. На рис. 8.1 это магнитное поле представлено вектором магнитной индукции В1. Магнитное поле катушки 2 характеризуется вектором магнитной индукции В2. К катушке 1 подводится синусоидальный ток i1 =Imsinωt, к катушке 2 — ток

i2 = Im sin (ωt+ π/2) =Im cos ωt.

Индукция магнитного поля пропорциональна создающему его току; следовательно,

В1m sin ωt;

В2 = Вm cos ωt.

Магнитные поля катушек, налагаясь друг на друга, образуют результирующее поле.

Рис. 8.2. Модель вращающегося магнитного  поля

Рис. 8.1. Образование вращающегося магнитного поля с помощью двух катушек

Модуль вектора индукции результирующего магнитного поля определим из векторной диаграммы по теореме Пифагора:

Таким образом, индукция результирующего магнитного поля оказывается не зависящей от времени величиной, равной максимальному значению индукции поля одной катушки. Это значит, что магнитные поля первой и второй катушек меняются так согласованно, что результирующее поле остается постоянным по значению.

Направление силовых линий результирующего магнитного поля характеризуется направлением вектора В, который образует угол α с горизонтальной осью, определяемой из выражения

tgα= В1/ В2= Вm sin ωt/ Вm cos ωt=tgωt

Отсюда a = ωt, т. е. вектор В вращается против часовой стрелки с угловой скоростью ω, равной угловой скорости синусоидального тока.

Результирующее магнитное поле катушек можно представить как поле постоянного магнита, который поворачивается в пространстве (рис. 8.2). Такое поле называют вращающимся. Нетрудно убедиться, что результирующее магнитное поле катушек будет вращаться в обратную сторону, если поменять фазы токов.

Графическое пояснение процесса образования вращающегося магнитного поля. Изобразим графически с помощью магнитных силовых линий поле двух рассмотренных катушек.

На рис. 8.3 схематически изображен цилиндрический магнитопровод, в пазах которого размещены катушки АХ a BY. Буквами А и В обозначены начала, X, и Y — концы катушек. По катушке АХ проходит ток iA, изменяющийся по синусоидальному закону, по катушке BY — ток iB, изменяющийся по косинусоидальному   закону.   Будем   считать   положительным ток, проходящий от начала катушки к ее концу.

При I = 0 ток iA в катушке АХ отсутствует, а ток iB в катушке BY положителен. Силовые линии, определенные по правилу буравчика, выходят из верхней

Рис. 8.3. Образование двухполюсного вращающегося магнитного поля

Рис. 8.4. Образование четырехполюсного вращающегося магнитного поля

Силовые линии, определенные по правилу буравчика, выходят из верхней части магнитопровода и направлены в нижнюю часть аналогично силовым линиям постоянного магнита, изображенного справа, у которого северный полюс расположен вверху, а южный — внизу.

При t = t1 ток iв = 0, а ток iA> 0. Силовые линии магнитного поля токов аналогичны силовым линиям постоянного магнита, у которого северный полюс расположен слева, а южный — справа.

При t = t2 ток iA = 0, а ток iв<0. В этом случае силовые линии магнитного поля токов аналогичны силовым линиям постоянного магнита, у которого северный полюс расположен внизу, а южный — вверху.

Продолжив рассмотрение процессов изменения токов  и  магнитных  потоков для  других  моментов времени, нетрудно убедиться, что за половину периода тока магнитное поле повернется на 180°, а за период сделает полный оборот. Следовательно, число оборотов вращающегося магнитного поля в секунду равно частоте тока f.

Частоту вращения магнитного поля принято выражать числом оборотов в минуту. Тогда n1 = 60f.

Чтобы понять принцип получения многополюсных вращающихся полей, обратимся к рис. 8.4. Здесь схематически изображен магнитопровод, разделенный на две половины, в каждой из которых размещены катушки АХ и BY. Таким образом, устройство имеет две катушки АХ, через которые проходит ток iA, и две катушки BY, через которые проходит ток iB.

Проводя аналогичные рассуждения, устанавливаем, что магнитное поле токов аналогично полю четырехполюсного постоянного магнита, причем в течение половины периода тока поле делает только четверть оборота, а полный оборот совершает за два периода. Таким образом, если в два раза увеличить число пар полюсов, то частота вращения поля уменьшится в два раза. Легко показать, что увеличение числа пар полюсов в три раза уменьшило бы частоту вращения поля в три раза, т. е. в общем случае n1 = 60f/р, где р — число пар полюсов. При р= 1 эта формула совпадает с предыдущей.

Вращающееся магнитное поле трехфазного тока.

Для создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной системы токов нужны три катушки, сдвинутые в пространстве на 120° одна относительно другой (рис. 8.5).

Магнитная индукция, создаваемая при этом каждой катушкой, пропорциональна соответствующему току:

В1 = Вm sin ωt;

B2 = Bmsin(ωt —120°);

B3 = Bmsm (ωt+ 120°).

Выберем произвольное направление, повернутое на угол α относительно вектора магнитной индукции B1 (пунктирная ось), и найдем вектор результирующей магнитной индукции в этом направлении. С этой целью сложим проекции векторов B1, B2, В3 на выбранное направление:

В=В1 cos α + B2cos(120° —α) + B3cos (120° +α).

Подставим  в это соотношение выражения для В1,  В2, B3

B=Bmsin ωt cos α+ Bm sin (ωt — 120°) cos (120° —α) + Bm sin (ωt + 120°) cos (120° + α).

Рис. 8.6. Система трех векторов, сумма которых равна нулю

Рис. 8.5. Образование вращающегося магнитного поля с помощью трех катушек

Синусоидально изменяющиеся величины можно представить системой векторов, изображенной на рис. 8.6. Нетрудно убедиться, что сумма этих векторов равна нулю. Таким образом, В= sin (ωt — α). Пусть угол β = α + 90° (см. рис. 8.5).

Тогда В =  sin (ωt — β+90°). При β = ωt  получим

B = ЗВm/2, т. е. магнитная индукция вдоль оси XX максимальна, а сама ось XX вращается с угловой частотой ω.

Направление вращения поля определяется порядком следования фаз. Для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами любые две фазы из трех.

В заключение отметим, что для получения неискаженного вращающегося магнитного поля система катушек должна быть полностью симметричной, а токи должны быть строго одинаковыми по амплитуде и частоте и сдвинутыми по фазе на 120° один относительно другого.

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Асинхронный двигатель является простейшей из электрических машин. Как и любая электрическая машина, он имеет две основные части: статор и ротор.

Статор (рис. 8.7) состоит из чугунной станины 1, в которой закреплен магнитопровод 2 в виде полого цилиндра. Между станиной и сердечником обычно оставляют зазор, через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких (0,5 мм) листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.

В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора, укладывают обмотку 3. У двухполюсной машины обмотка статора состоит из трех катушек, сдвинутых на углы 120°, у четырехполюсной — из шести катушек,  сдвинутых  на  60°,  у шестиполюсной — из девяти катушек и т. д. Обмотку в пазах статора закрепляют клиньями.

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной   (рис.   8.8).   

Рис. 8.8. Общий вид ротора асинхронного двигателя с коротко-замкнутой (а) и фазной (б) обмотками

Короткозамкнутая   обмотка   типа «беличья клетка» изображена на рис. 8.9. Она состоит из толстых проводящих стержней (медь, алюминий), соединенных по торцам медными или алюминиевыми кольцами. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Иногда ее изготовляют заливкой расплавленного алюминия в пазы ротора.

Устройство  фазной  обмотки   ротора   аналогично устройству обмотки статора.

Рис. 8.7. Конструкция статора асинхронного двигателя:

1 — станина;     2 — сердечник; 3 — обмотка; 4 — лапа;   5 — прокладка

Концы фазной обмотки ротора соединяют с контактными кольцами и через щетки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами 3 (рис. 8.10). Контактные кольца 1, изготовленные из латуни или меди, укрепляют на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками 2 крепят на подшипниковом щите.

Рис. 8.9. Общий вид коротко    Рис. 8.10. Схема соединения
замкнутой обмотки типа «бе-             фазной обмотки ротора с регу-
личья клетка»                                                       лировочными реостатами:

             1 —контактные   кольца,   2 — щетки; 3— реостаты

Рис. 8.11. Общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ,  ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ РАСКРУЧИВАНИИ РОТОРА

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники.

При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. несинхронно с полем, или асинхронно.

Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Карточка № 8.3 (213)

Принцип действия асинхронного двигателя. Физические процессы, происходящие при раскручивании ротора

СКОЛЬЖЕНИЕ И ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ  РОТОРА

Обозначим через n2 частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Было установлено, что n2<n1.

Частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т. е. разность n1n2, называют скольжением. Обычно скольжение выражают в долях частоты вращения поля и обозначают буквой s:

s=

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. При номинальной нагрузке его значение составляет около 0,05 у машин небольшой мощности и около 0,02 у мощных машин.

Из последнего равенства находим, что n2 = (ls)n1.

После преобразования получаем выражение частоты вращения двигателя, удобное для дальнейших рассуждении: n2 = (1—s) .

Поскольку при нормальном режиме работы двигателя скольжение невелико, частота вращения двигателя  мало отличается от частоты вращения  поля.

На практике скольжение часто выражают в процентах.

У большинства асинхронных двигателей скольжение колеблется в пределах 2—5%.

Скольжение является одной из важнейших характеристик двигателя; через него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора.

При неподвижном (n2 = 0) роторе s=1. Таким скольжением обладает двигатель в момент пуска.

Как отмечалось, скольжение зависит от момента нагрузки на валу двигателя; следовательно, и частота вращения ротора зависит от тормозного момента на валу. Номинальное значение частоты вращения ротора n2, соответствующее расчетным значениям нагрузки, частоты и напряжения сети, указывается на заводском щитке асинхронного двигателя.

Асинхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы. При 0<sl машина работает в режиме двигателя, частота вращения ротора n2 меньше или равна частоте вращения магнитного поля статора n1. Но если внешним двигателем раскрутить ротор до частоты вращения, большей синхронной частоты: n2> n1, то машина перейдет в режим работы генератора переменного тока. При этом скольжение станет отрицательным, а механическая энергия приводного двигателя будет превращаться в электрическую энергию.

Асинхронные генераторы переменного тока практически не применяются.

ВЛИЯНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ НА ЭДС В ОБМОТКЕ РОТОРА

Условия индуцирования ЭДС в обмотках трансформатора и асинхронной машины одинаковы. Действительно, в трансформаторе витки обмотки пересекаются переменным магнитным потоком, сохраняющим свое направление в пространстве. В асинхронной машине витки обмотки пересекаются постоянным, но вращающимся магнитным потоком. С точки зрения закона электромагнитной индукции следует отметить, что в обоих случаях магнитный поток, сцепленный с каждым витком обмотки, изменяется во времени по синусоидальному закону.

К асинхронным машинам полностью применима формула для трансформаторной ЭДС.

Пока ротор асинхронного двигателя неподвижен, его обмотка пересекается вращающимся магнитным полем с частотой n1.

Обозначим действующее значение ЭДС одной фазы неподвижного ротора Е. Тогда формула для трансформаторной ЭДС примет вид

E=4,44 w2k2f1Ф

где w — число витков одной фазы обмотки ротора; k2 — обмоточный коэффициент ротора; f1— частота тока питающей сети; Ф — вращающийся магнитный поток.

Обмоточный коэффициент всегда меньше единицы и в современных асинхронных машинах составляет 0,85—0,95. Он обусловлен тем, что в машине переменного тока витки обмотки распределены по внутренней поверхности статора и не одновременно пересекаются магнитным потоком. Поэтому ЭДС отдельных витков сдвинуты по фазе относительно друг друга и складываются не арифметически, а геометрически (рис. 8.12).

                Е2

   Е1                                     Е3               

                Е

При неподвижном роторе частота индуцируемой в его обмотке ЭДС равна частоте сети f1. По мере раскручивания ротора скорость (n1n2) пересечения витков обмотки вращающимся магнитным полем уменьшается, а следовательно, уменьшается частота  ЭДС   в   обмотке  ротора:

f2=p(n1-n2)/60

Чтобы ввести скольжение в выражение для f2, умножим числитель и знаменатель на n1

f2=sf1

Таким образом, частота ЭДС в обмотке ротора прямо пропорциональна скольжению.

Теперь можно записать выражение для ЭДС обмотки ротора в общем случае:

E2=4,44 w2k2f2Ф=4,44 w2k2f1 sФ

Сравним выражения для Е и Е2, найдем, что E2 = sE.

ЭДС Е2, индуцируемая в обмотке ротора вращающимся магнитным полем, прямо пропорциональна скольжению двигателя.

ЗАВИСИМОСТЬ ЗНАЧЕНИЯ И ФАЗЫ ТОКА ОТ СКОЛЬЖЕНИЯ И ЭДС РОТОРА

В трансформаторе ЭДС вторичной обмотки создает напряжения на нагрузке и преодолевает внутреннее падение напряжения. В асинхронном двигателе обмотка ротора замкнута накоротко, поэтому ЭДС Е2 расходуется в собственном активном и индуктивном сопротивлениях обмотки.

В двигателе с фазным ротором активное сопротивление обмотки ротора может изменяться за счет включения регулировочных реостатов. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора определяется по известной формуле X2 = ω2L2 = 2πf2L2 и зависит от скольжения.  Действительно,  f2 = sf1;   X2= 2πsf 1L2 =1L2

Величина ω1L2 представляет собой индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора Х; следовательно, X2 = sX2h.

На основании закона Ома для цепи переменного тока можно написать

 

Здесь Е2 и Х2 изменяются при изменении частоты вращения двигателя. Целесообразно выразить ток через неизменные величины и скольжение:

Ток в обмотке неподвижного ротора (s = l) имеет наибольшее значение.

По мере раскручивания ротора скольжение уменьшается, стремясь к нулю, ток в роторе также уменьшается и при синхронной частоте вращения становится равным нулю: s = 0, I2 = 0.

Сдвиг фаз между током и ЭДС ротора может быть определен по его тангенсу: tg φ2 = X2/R2 =sX/R2.

Величины Х1 L2  и R2 не зависят от частоты вращения двигателя, поэтому tgφ2 пропорционален скольжению двигателя.

При неподвижном роторе (в момент пуска), когда s = 1, ток и ЭДС ротора сдвинуты по фазе на максимальный угол: tg φ2= X/R2 

По мере раскручивания ротора сдвиг фаз между I2 и Е2 уменьшается. При s = 0

tg φ2= 0.

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Вращающий момент любого электрического двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. В двигателе постоянного тока вращающий момент выражается формулой

М = смIФ .

В асинхронном двигателе вращающий момент выражается аналогичной формулой. Нужно только установить, какое значение тока должно быть использовано. Полный ток

I2 в обмотке ротора состоит из активной I2a =I2cosφ2 и реактивной I = I2 sinφ2 составляющих. Допустим, что активная составляющая тока ротора равна нулю. Тогда, несмотря на наличие ЭДС E2 и тока I2 в обмотке ротора, активная мощность этой обмотки была бы равна нулю. Но ротор, не потребляющий активной мощности, не может создавать вращающего момента, так как момент М=Р/ω и равен нулю при Р = 0. Следовательно, реактивная составляющая тока ротора не участвует в создании вращающего момента и можно написать M=cФI2cosφ2, т. е. вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален результирующему магнитному потоку и активной составляющей тока в обмотке ротора. Коэффициент пропорциональности с зависит от конструктивных параметров двигателя.

Необходимо установить, как зависит вращающий момент от скольжения двигателя. Подставим в формулу для момента значения I2 и cos φ2:

М=

Как и следовало ожидать, при s=0 вращающий момент исчезает. При S=∞ вращающий момент также обращается в нуль. Таким образом, с увеличением скольжения от нуля вращающий момент увеличивается, достигает максимума, а с дальнейшим возрастанием s до бесконечности снова стремится к нулю. Задаваясь различными значениями скольжения, можно построить график зависимости M(s), который представлен на рис. 8.13. На графике выделены три момента: номинальный вращающий момент Мн, максимальный момент Ммах и пусковой момент Мп.

Рис. 8.14. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Рис. 8.13. Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения

Номинальный момент обычно соответствует скольжению s = 3-5%, максимальный момент — s = 10-14 % (это скольжение называют оптимальным sopt), пусковой момент — s = 100%. Обычно асинхронный двигатель рассчитывают так, чтобы максимальный момент в 2—3 раза превышал номинальный, а пусковой момент примерно был равен номинальному. Небольшое значение пускового момента — один из существенных  недостатков  асинхронного  двигателя

Кривая M(s)  разделена на два участка:  ОА и АВ. Участок от точки О до точки А соответствуем устойчивым режимам работы асинхронного двигателя: с увеличением момента нагрузки частота вращения двигателя замедляется, скольжение увеличивается и, как видно из графика, возрастает вращающий момент. Новое положение равновесия достигается, когда вращающий момент становится равным тормозному. При этом двигатель устойчиво вращается с уменьшенной частотой.

Участок АВ соответствует неустойчивым режимам работы двигателя: с увеличением момента нагрузки скольжение увеличивается, вращающий момент уменьшается, скольжение возрастает еще больше и т. д. Двигатель останавливается и начинает быстро нагреваться, так как при s = l его пусковой ток в 6—7 раз превышает номинальное значение.

Зависимость частоты вращения двигателя n2 от момента на валу М при постоянных напряжении питания и частоте сети называют механической характеристикой (рис. 8.14). Она может быть снята экспериментально и легко получена на основании графика M(s). С увеличением момента нагрузки частота вращения двигателя уменьшается незначительно. Если момент нагрузки превысит максимальный, то частота вращения двигателя лавинообразно уменьшится до нуля.

Частота вращения асинхронного двигателя зависит от напряжения питания. Можно показать, что вращающий момент М пропорционален квадрату напряжения питания. Поэтому даже небольшие колебания напряжения питания приводят к заметному изменению вращающего момента и частоты вращения двигателя.

ВЛИЯНИЕ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБМОТКИ РОТОРА НА ФОРМУ ЗАВИСИМОСТИ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА ОТ СКОЛЬЖЕНИЯ

Для  изучения  особенностей  пуска  асинхронного двигателя и регулирования его частоты вращения полезно исследовать, каким образом активное сопротивление обмотки ротора влияет на форму зависимости M(s).

Было установлено, что зависимость вращающего момента от скольжения выражается формулой

М=

Вращающий момент М достигает максимума, когда знаменатель выражения достигает минимума.

Знаменатель   представляет   собой   сумму   двух членов. Первый член выражения с увеличением скольжения уменьшается,  второй — увеличивается.  Задаваясь числовыми значениями s, можно убедиться, что сумма имеет минимальное значение, когда первый ее член равен второму:

При этом скольжение s = R2/X2H = sopt так как оно соответствует минимуму знаменателя формулы и максимуму вращающего момента.

Рис. 8.15. Влияние активного сопротивления обмотки ротора на зависимость М (s)

Таким образом, оптимальное скольжение асинхронного двигателя прямо пропорционально активному сопротивлению обмотки ротора. Изменяя активное сопротивление обмотки ротора R2, можно менять положение максимума кривой М(s), как показано на рис. 8.15.

При увеличении сопротивления R2 максимум кривой сдвигается в сторону больших значений скольжения, при этом и вся кривая сдвигается вправо.

Максимальный вращающий момент двигателя можно найти, если в формулу момента подставить оптимальное значение скольжения

R2/X2H = sopt

Следовательно, максимальный вращающий момент не зависит от активного сопротивления обмотки ротора.

ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Прежде чем включить асинхронный двигатель в сеть, нужно определить схему соединения его обмоток, соответствующую номинальному режиму работы.

Предположим, что линейное напряжение сети 220 В, а в паспорте двигателя указано напряжение 220/380 В. При этих условиях обмотки нужно соединить треугольником, чтобы напряжение на них соответствовало расчетному.

На практике при пуске асинхронного двигателя для ограничения пусковых токов его обмотки кратковременно соединяют звездой. Переключение с треугольника на звезду и обратно осуществляют специальным переключателем. Такое переключение не производят, если рассматриваемый двигатель включают в сеть с линейным напряжением 380 В. В этом случае его обмотки и при пуске, и при номинальном режиме работы должны быть соединены звездой.

Пусковой момент асинхронного двигателя невелик, поэтому пуск обычно производят при отключенной нагрузке.

Под действием пускового момента ротор начинает раскручиваться, скольжение уменьшается, вращающий момент возрастает (см. рис. 8.13), процесс, соответствующий неустойчивому режиму работы (участок от 1 до sopt), быстро заканчивается и переходит на участок характеристики, соответствующий устойчивому режиму. Здесь увеличению частоты вращения ротора соответствует уменьшение вращающего момента, поэтому рост частоты быстро прекращается. Ротор устойчиво вращается с частотой, несколько меньшей частоты вращения поля. Теперь с помощью фрикционной муфты можно включить нагрузку. Момент нагрузки не должен превышать максимальный момент.

Если по условиям эксплуатации двигатель должен запускаться при включенной нагрузке, то его следует рассчитать так, чтобы пусковой момент превышал момент нагрузки при номинальном режиме.

Изменяя активное сопротивление обмотки ротора, можно менять форму зависимости М (s) и значение пускового момента. В частности, сопротивление R2 можно подобрать таким, что максимум вращающего момента будет соответствовать

 s = l, т. е. пусковой момент будет равен максимальному моменту асинхронного двигателя.

У двигателей с фазным ротором пусковой момент увеличивают с помощью пускового реостата, включаемого в цепь обмотки ротора в период запуска (рис. 8.16), у двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора — за счет перераспределения плотности тока в стержнях обмотки при пусковом и номинальном режимах работы. На практике применяют два типа двигателей с искусственно увеличенным пусковым моментом. Первый тип — двигатели с двойной «беличьей клеткой» ротора — рассчитывают обычно на большие мощности.

Рис. 8.16. Схема   включения пускового реостата

Второй тип — двигатели с глубоким пазом ротора — получили наибольшее распространение. Стержни короткозамкнутой обмотки таких двигателей имеют вид узких пластин, глубоко врезанных в ротор. Короткозамкнутые двигатели небольшой мощности с увеличенным пусковым моментом включают в сеть непосредственно   (без   пусковых реостатов и переключателей).

К сети

К сети

Рис. 8.17 Расположение перемычек на клеммовой колодке асинхронного двигателя при соединении обмоток статора звездой (а) и треугольником (б)

На рис. 8.17 показано расположение перемычек на колодке асинхронного двигателя.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Современные асинхронные двигатели не имеют простых и экономичных устройств для плавного регулирования частоты вращения ротора. Этот существенный недостаток ограничивает область их применения и позволяет двигателям постоянного тока во многих случаях успешно конкурировать с асинхронными двигателями.

Из выведенной формулы частоты вращения асинхронного двигателя видно, что частоту n2 можно регулировать изменяя скольжение s, число пар полюсов р или частоту питающего напряжения f.

Плавное регулирование частоты вращения двигателя за счет изменения скольжения возможно только в двигателях с фазным ротором. На рис. 8.15 видно, что скольжение при неизменном моменте нагрузки зависит от активного сопротивления обмотки ротора. Поэтому в цепь этой обмотки с помощью контактных колец и щеток включают регулировочный реостат, которым плавно изменяют сопротивление обмотки, скольжение и частоту вращения двигателя. Этот способ связан с большими тепловыми потерями. При s = 0,5 половина энергии, передаваемой в ротор вращающимся магнитным полем, расходуется на нагрев ротора и регулировочного реостата. Кроме того, наличие колец и щеток усложняет эксплуатацию машины и резко снижает ее надежность.

Скольжение, а, следовательно, и частоту вращения двигателя в небольших пределах можно регулировать изменением  напряжения,  подводимого к двигателю.

Ступенчатое регулирование частоты вращения можно осуществлять изменением числа пар полюсов статора двигателя за счет переключения секций его обмотки. Однако этот экономичный и сравнительно простой способ не позволяет регулировать частоту вращения двигателя плавно. Промышленность выпускает двигатели, частоту вращения которых можно регулировать ступенями в 2, 3 и 4 раза.

Частоту вращения двигателя можно регулировать также изменением частоты питающего тока, но этот способ практически не применяют ввиду отсутствия простых и экономичных устройств для регулирования частоты тока в мощных электрических цепях.

Частота тока определяется частотой вращения ротора генератора, которую при параллельной работе генераторов необходимо поддерживать строго постоянной. Таким образом, в данном случае необходим отдельный генератор для каждого двигателя, что нецелесообразно.

Разработка    и    промышленное освоение мощных управляемых полупроводниковых диодов позволяет создать  статические  устройства   с выходным    напряжением,    частоту которого можно регулировать.

Рис. 8.18.     Схема реверсирования асинхронного   двигателя:

1 — ротор;     2 — обмотка статора

Эти простые, экономичные и надежные преобразователи частоты для регулирования   частоты   вращения   короткозамкнутых асинхронных двигателей  значительно упрощают  привод различных механизмов: отпадает необходимость и редукторах, коробках скоростей, трансмиссиях.

В некоторых случаях возникает необходимость регулирования не только частоты, но и направления вращения двигателя. Изменение направления вращения ротора двигателя называют реверсированием.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. При   рассмотрении   вращающегося   магнитного  поля было  установлено,   что   направление  его   вращения определяется порядком чередования фаз. Поэтому для реверсирования двигателя достаточно поменять местами две любые фазы на клеммовой колодке двигателя.

Если реверсирование приходится применять часто, то собирают схему со специальным переключателем (рис. 8.18).

КПД И КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в обмотках статора и ротора, потерь в магнитопроводе, механических и добавочных потерь.

Потери в обмотках Рм (потери в меди) пропорциональны квадрату тока и существенно изменяются при изменении нагрузки двигателя. Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе Рс (потери в стали) практически не зависят от нагрузки, так как магнитный поток асинхронного двигателя при изменении нагрузки почти не меняется. Механические потери Рмех обусловлены трением в подшипниках и о воздух вращающихся частей двигателя. Добавочные потери Рдоб определяются пульсациями магнитного потока вследствие зубчатого строения магнитопровода и другими трудно учитываемыми факторами. Добавочные потери невелики и составляют при номинальной нагрузке около половины процента от подводимой мощности.

Для определения потерь ставят опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронного двигателя. В опыте холостого хода определяют потери в стали и механические потери: Px = Pс+ Рмех

Мощность холостого хода Рх измеряют ваттметром, подключенным к зажимам питания электродвигателя.

Опыт короткого замыкания проводят при неподвижном роторе и пониженном напряжении питания. В опыте короткого замыкания определяют потери в меди: Рк = Рм.

Мощность короткого замыкания Рк также измеряют ваттметром. КПД двигателя рассчитывают по формуле

где Р1 — мощность, потребляемая двигателем из сети.

КПД асинхронного двигателя зависит от нагрузки. При номинальном режиме работы двигателя  η = 0,9-0,95. Чем больше расчетная мощность двигателя, тем выше его КПД.

Важной характеристикой асинхронного двигателя является его коэффициент мощности cosφ . Он показывает, какая часть полной мощности, поступающей из сети, расходуется на покрытие потерь и преобразуется в механическую работу. Коэффициент мощности асинхронного двигателя зависит от нагрузки, достигая значений 0,7—0,9 при номинальном режиме работы и снижаясь до 0,2—0,3 при холостом ходе.

Низкое значение cos φ асинхронного двигателя объясняется тем, что для создания магнитного потока в магнитопроводе с воздушными зазорами необходим большой намагничивающий ток, который является реактивным и с увеличением воздушного зазора возрастает. Конструктивный выбор воздушного зазора зависит от многих причин: жесткости вала, его центровки, допустимого износа подшипников и др. У мощных машин воздушный зазор относительно других размеров магнитопровода меньше, чем у машин малой мощности. Поэтому у мощных асинхронных двигателей cos φ обычно больше, чем у машин малой мощности.

При низком cos ф сеть нагружается реактивными токами и не может обеспечить питание расчетного числа потребителей. Поэтому при эксплуатации асинхронного двигателя следует стремиться к повышению его cos φ, в частности необходимо обеспечивать двигатель полезной нагрузкой, близкой к номинальной.

ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

На статоре однофазного двигателя размещается одна обмотка, синусоидальный ток в которой создает пульсирующий магнитный поток.

На рис. 8.19 показано, что пульсирующий магнитный  поток может быть разложен  на два  вращающихся в противоположные стороны потока Ф1 и Ф2 Частоты вращения этих потоков равны угловой частоте тока, а амплитуды — половине амплитуды пульсирующего потока Ф.

При неподвижном роторе возникают два равных по значению и противоположно направленных вращающих момента Мпр и Мо6р, вследствие чего результирующий момент остается равным нулю. Таким образом, собственный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя равен нулю.

Раскрутим принудительно ротор до частоты вращения n2. Тогда скольжение ротора относительно прямого поля

Snp = (n1n2)/n1,

относительно обратного поля

sобр= 2 — snp

Частота   тока   в   роторе,   создаваемого   прямым полем, равна snpf, а частота тока, создаваемого обратным полем, (2 — snp)f. Так, если частота тока в сети f = 50 Гц, а скольжение snp = 0,02, то

fnP = snpf = 50 *0,02=1 Гц; fo6p=(2- snp)f= 1,98*50 = 99 Гц.

Индуктивное сопротивление обмотки ротора пропорционально частоте тока и для прямого тока на два порядка меньше, чем для обратного тока. Вследствие этого прямой ток и прямой вращающий момент МПр существенно больше обратного тока и обратного вращающего момента. Следовательно, раскрутив двигатель в любую сторону, можно нагрузить его и двигатель будет продолжать вращаться в ту же сторону. Вращающий момент раскрученного однофазного двигателя незначительно отличается от вращающего момента аналогичного трехфазного двигателя.

Для создания пускового момента на статоре однофазного двигателя размещают дополнительную пусковую обмотку, рассчитанную на кратковременную работу. Эту обмотку включают через конденсатор, вследствие чего ток в ней сдвинут по фазе относительно тока основной обмотки (рис. 8.20). Образующееся двухфазное вращающееся магнитное поле раскручивает ротор. По окончании пуска питание пусковой обмотки должно быть отключено.

Однофазные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение в бытовых приборах. Их мощность обычно не превышает 500 Вт.

не превышает 500 Вт.

Рис. 8.20. Схема пуска однофазного асинхронного двигателя

Рис. 8.21. Схемы включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть при соединении обмоток:

а — звездой;     б — треугольником

Иногда в качестве однофазного используют трехфазный асинхронный двигатель, у которого в цепь одной из обмоток статора включен конденсатор (рис. 8.21),

При соединении обмоток звездой пусковую емкость подсчитывают по формуле

где Р — мощность двигателя, кВт;  U — напряжение сети, В; С — емкость конденсатора, мкФ.

При соединении обмоток треугольником пусковая емкость в три раза больше, чем в предыдущем случае.

При работе в однофазном режиме трехфазный двигатель без перегрева развивает 60—70% номинальной мощности. Недостаток этих схем — необходимость в дорогостоящих конденсаторах большой емкости, примерно 10 мкФ на каждые 100 Вт мощности двигателя  при  соединении его обмоток треугольником.

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем (отсюда их название). Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока.

Рис. 8.22. Общий вид статора синхронного генератора Рис. 8.23. Общий вид неявнополюсного        ротора синхронного генератора

Устройство статора синхронной машины (рис. 8.22) практически   не  отличается  от  устройства   статора асинхронной машины. В пазы статора укладывают трехфазную обмотку, концы которой выводят на клеммовую панель. Ротор в некоторых случаях изготовляют в виде постоянного магнита.

Роторы синхронных генераторов могут быть явнополюсными (рис. 8.23) и неявнополюсными. В первом случае синхронные генераторы приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростанций, во втором — паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Рис. 8.25. Форма воздушного зазора п распределение магнитной индукции по поверхности ротора в синхронном генераторе

Питание к обмотке ротора под водится через скользящие контакты, состоящие из медных колеи, и графитовых щеток. При вращении  ротора его магнитное  поле пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. Чтобы получить    синусоидальную    форму ЭДС, зазор между поверхностью ротора  и  статором  увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям (рис. 8.25).

Частота индуцированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора

f = pn/60,

где р — число пар полюсов ротора генератора.

Отношение n/60 выражает число оборотов ротора в секунду; при р=1 каждый оборот ротора соответствует полному циклу изменений индуцированного переменного тока (одному периоду); при увеличении р соответственно увеличивается и число периодов тока, индуцируемого за один оборот ротора.

Как и у любого генератора, работающего по закону электромагнитной индукции, индуцированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и частоте вращения ротора.

Используют различные способы возбуждения синхронных генераторов. Широкое распространение получил синхронный генератор с машинным возбудителем, представляющим собой генератор постоянного тока, расположенный на одном валу с синхронным генератором. Машинный возбудитель приводится в действие от того же первичного двигателя, что и синхронный генератор. Выходные зажимы возбудителя через щетки и кольца подсоединены к обмотке ротора синхронного генератора. Напряжение синхронного генератора можно регулировать реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя, что удобно и энергетически выгодно, так как в этой обмотке протекают сравнительно небольшие токи.

Находят также применение генераторы с самовозбуждением через полупроводниковые или механические выпрямители.

Из характеристик синхронного генератора наибольший практический интерес представляют внешние характеристики, выражающие зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных значениях тока возбуждения, частоты и коэффициента мощности.

cosφ=O,8(uнд.)

cosφ=1 ,сosφ=0,8(инд.)

I

б)

a)

Рис. 8.26. Внешние характеристики синхронного генератора при повышении (а) и понижении (б) напряжения

Внешние характеристики снимают при повышении и понижении  напряжения  (рис. 8.26)  и различных значениях коэффициента мощности нагрузки: cos φ  = 1, cosφ = 0,8 (нагрузка индуктивная), cos ф = 0,8 (нагрузка емкостная). Так же как и у трансформатора, напряжение на зажимах синхронного генератора повышается при увеличении емкостной нагрузки. Отечественная промышленность выпускает синхронные генераторы на напряжение от 230 В до 21 кВ.

СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 8.27).

Принцип работы синхронного двигателя поясняется рис. 8.28. Внутри магнита N1 S1 помещен магнит NS. Если магнит N1S1 вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.

К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита N1S1. При   некоторой   нагрузке   силы   притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.

В реальном двигателе поле магнита N1S1 заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем

Рис. 8.28. К пояснению принципа работы синхронного двигателя

Рис. 8.27. Схематическое изображение синхронного двигателя

статора, отставая на угол α, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: n2 = n1=60f/p.

Постоянство частоты вращения — важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя — трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный. Короткозамкнутая обмотка при этом оказывается обесточенной, так как частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора и стержни обмотки ротора не пересекаются магнитными силовыми линиями.

В настоящее время существует тенденция замены на подвижных объектах (корабли, самолеты, автомобили) электрических цепей постоянного тока цепями переменного тока повышенной частоты (200, 400 Гц и выше). Возможность использования бесколлекторных машин переменного тока, трансформаторов и магнитных усилителей позволяет повысить надежность работы цепи, а также уменьшить габариты и массу машин и аппаратов.

При оборудовании объекта сетью переменного тока широкое применение находит электропривод на переменном токе. Разработаны схемы с асинхронными и синхронными двигателями, которые позволяют выполнить все операции, осуществляемые ранее двигателями постоянного тока.

Преимущества асинхронных двигателей особенно заметны тогда, когда по условиям работы привода нет необходимости в плавном регулировании частоты вращения в широких пределах и больших пусковых моментах (привод насосов, вентиляторов и др.).

16


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2244. Інженерний аналіз характеристик надійності машин та обладнання 1.04 MB
  Коротка характеристика і умови роботи агрегату (вузла) в цілому та основних видів сполучень. Характеристика конструктивно-технологічних особливостей зміцнювальної (відновлювальної) деталі. Аналіз причин, обґрунтування, визначення та описання провідного виду зношення сполученої поверхні деталі. Визначення статистичних характеристик повного ресурсу сполучення за вихідною масовою інформацією.
2245. Основы религиоведения 1.52 MB
  Религия как общественное явление. Происхождение религии и ее ранние формы. Социальное учение мировых религий. Государственно-церковные отношения. Эволюция религии в современном мире.
2246. Проектирование подстанции 1.29 MB
  Выбор аппаратуры и токоведущих частей подстанции. Расчет максимальных рабочих токов основных присоединений подстанции. Выбор и проверка аппаратуры и токоведущих частей. Расчетная схема подстанции. Проверка токоведущих частей, изоляторов и аппаратуры по результатам расчёта токов к.з.
2247. Расчет симметричных и несимметричных коротких замыканий в электроэнергетической системе 695.23 KB
  Расчет реактивных сопротивлений в именованных единицах приближенным методом. Расчет реактивных сопротивлений в относительных единицах точным методом. Построение векторных диаграмм токов и напряжений. Расчет симметричных КЗ в точке K4. Построение векторных диаграмм токов и напряжений
2248. Эффективность разработки электронного изделия 530.79 KB
  Определение затрат на материалы и комплектующие изделия. Определение основных показателей технологичности. Технико-экономические расчёты по определению ресурсов. Разработка сетевого графика технической подготовки производства нового изделия. Определение технико-экономических показателей производства.
2249. Разработка организационной структуры управления объектом сферы услуг, как целеустремленной системой на примере блинной Солнцепек 143.39 KB
  Теоретические основы методологии системного анализа. Системный анализ и моделирование объекта исследования. Предложения по совершенствованию устойчивости функционирования системы.
2250. Проектирование понизительной подстанции электроснабжения электрифицированной железной дороги. 1.13 MB
  Распределительное устройство 110 кВ промежуточной транзитной подстанции. Составление расчетной схемы и схемы замещения. Расчёт токов короткого замыкания. Выбор основного оборудования и токоведущих элементов подстанции. Выбор устройств защиты от перенапряжения.
2251. Сервисный центр по ремонту и обслуживанию офисной техники с использованием средств Microsoft Access 991.23 KB
  Описание бизнес-процесса при помощи методологии структурного анализа и проектирования (SADT). Создание форм с помощью конструктора. Структура таблицы и типы данных.
2252. Мероприятие: В стране невыученных уроков 19.84 KB
  Внеклассное мероприятие посвященное ко дню учителя, отображающее учеников которые не хотят учить уроки.