Асинхронная машина в режимах генератора и электромагнитного торможения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Асинхронная машина в режимах генератора и электромагнитного торможения

Режим генераторного (рекуперативного) торможения асинхронной машины

Чтобы перевести асинхронную машину, включенную в сеть, в режим генератора, ее ротор необходимо привести во вращение с частотой вращения, превышающей синхронную частоту вращения. При этом: ; , а направление развиваемого ею момента противоположно направлению вращения ротора (рис. 10.1). Асинхронные генераторы вырабатывают только активную мощность, а реактивную мощность, необходимую для создания основного магнитного потока, потребляют из сети. По своим характеристикам они уступают синхронным генераторам, и потому в качестве первичных источников электроэнергии не используются. Практическое значение этого режима заключается главным образом в возможности осуществления так называемого рекуперативного торможения, которое находит применение в грузоподъемных механизмах (скоростной спуск), электрической тяге, при обкатке автотракторных двигателей, и других случаях. При его реализации ротор может вращаться не только каким-либо специальным приводом, но и по инерции, или под действием потенциальной энергии грузов. Механическая мощность вращающегося ротора преобразуется в активную электрическую мощность, и за вычетом потерь в самой машине возвращается (рекуперируется) в сеть.

В уравнении электромагнитного момента скольжение в генераторном режиме необходимо брать со знаком «минус»:

. (10.1)

Из очевидного неравенства:

следует, что при: в генераторном режиме работы момент всегда больше, чем в двигательном: .

Зоне устойчивой работы соответствуют следующие пределы изменения скольжения и момента:

; .

Расширить зону устойчивости можно, увеличивая критическое скольжение за счет активного сопротивления ротора.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Электромеханические характеристики, которые часто называют также скоростными, представляют собой зависимость приведенного тока ротора от скольжения:

. (10.2)

В генераторном режиме имеем два характерных значения тока. Ток ротора достигает максимума, равного:

, (10.3)

в том случае, если:

,

а при стремится к пределу:

. (10.4)

Ни максимальное, ни предельное значения тока сами по себе не зависят от активного сопротивления цепи ротора, но, изменяя это сопротивление, можно изменить наклон характеристик, и расширить зону устойчивости. Общий вид зависимостей при различных значениях активного сопротивления цепи ротора показан на рис. 10.2.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Ток в обмотке статора в общем случае получается путем геометрического суммирования приведенного тока ротора с током намагничивания. В режиме идеального холостого хода: ; ; , а при : . В результате вектора токов и практически совпадают по фазе, а ток статора равен их арифметической сумме: (рис. 10.3).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Режим электромагнитного торможения (торможения противовключением)

Режим электромагнитного торможения возникает в том случае, если под действием внешнего момента ротор вращается в направлении, противоположном направлению электромагнитного момента, развиваемого самой машиной. Механические и скоростные характеристики, соответствующие этому режиму (рис. 10.1, 10.2), расположены в зоне скольжений: , из чего согласно выражению (10.2) следует, что ток при торможении превышает (хотя и незначительно) пусковой ток. При он стремится к предельному значению (10.4), но, в отличие от генераторного режима, максимума не имеет. Пределы изменения тока составляют:

. (10.5)

Практически режим электромагнитного торможения можно осуществлять только в машинах с повышенным скольжением, и с фазным ротором, в которых увеличение r'2 помимо ограничения тока дает возможность увеличить тормозной момент, смещая максимальный момент в зону соответствующих скольжений, и повысить тем самым устойчивость работы. Существуют два способа торможения.

Тормозной спуск осуществляется под действием внешнего момента, который превышает момент, развиваемый самой машиной: , и противоположно направлен по отношению к нему. Если момент сопротивления уменьшится до: , машина перейдет в двигательный режим работы.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Торможение изменением чередования фаз применяется для быстрой остановки двигателей с возможностью последующего реверса. Оно осуществляется путем быстрого переключения обмотки статора на обратное чередование фаз. При этом ротор продолжает вращаться, но магнитное поле статора и электромагнитный момент изменяют направление на противоположное. Этому соответствует зеркально отраженная механическая характеристика (рис. 10.4). В результате машина из двигательного режима (точка 1) переходит в режим торможения (точка 2), и под действием момента МЭМ частота вращения ротора быстро уменьшается. Если обмотку статора не отключить от сети после остановки ротора (точка 3), машина перейдет в двигательный режим работы с обратным направлением вращения.

Поскольку в обоих случаях машина подключается к сети таким образом, что направление развиваемого ей электромагнитного момента противоположно направлению вращения ротора, этот режим часто называют противовключением.

В отличие от генераторного торможения, торможение противовключением неэкономично, и характеризуется большими потерями, которые выделяются в виде тепла в самой машине и в добавочных сопротивлениях цепи ротора.

Асинхронный генератор с самовозбуждением

Принцип действия асинхронного генератора с самовозбуждением основан на явлении остаточного магнетизма.

При вращении ротора внешним приводом остаточный магнитный поток Фост наводит в обмотках статора небольшую остаточную ЭДС Еост. Для получения тока намагничивания, обеспечивающего увеличение ЭДС до требуемого уровня, к выводам обмотки статора подключаются конденсаторы (рис. 10.5 - а).

генератор электромагнитный торможение

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

На рис. 10.5 - б изображены зависимость ЭДС, индуктируемой в обмотке статора от тока намагничивания (характеристика холостого хода) асинхронной машины 1, и вольт-амперные характеристики конденсаторов 2 и 3. Характеристика 2 совпадает с линейной частью характеристики холостого хода, и соответствует критическому значению емкости, при котором процесс самовозбуждения будет неустойчив. При увеличении емкости конденсаторов наклон характеристик увеличивается таким образом, что приращение ЭДС идет быстрее, чем приращение напряжения UC на конденсаторах. Возникающий при этом условии процесс самовозбуждения заключается в следующем. Под действием Еост в контуре, образованном обмоткой статора и конденсаторами, возникает ток, величина которого зависит от емкости конденсаторов. Этот ток, протекая по обмотке статора, индуктирует приращение ЭДС ДЕ, которое в свою очередь вызывает приращение тока ДI. Процесс идет до тех пор, пока ЭДС и напряжение на конденсаторах не сравняются, чему соответствует точка пересечения характеристик. В этой точке ЭДС должна равняться желаемому напряжению холостого хода , чему соответствует ток I0ном. Емкость при этом определяется исходя из условий:

; ,

откуда следует:

, (10.6)

где , L1 - полное индуктивное сопротивление и полная индуктивность асинхронной машины в режиме холостого хода; f1 - частота генерируемой ЭДС.

Увеличение ёмкости сверх этого значения приводит к насыщению магнитной системы, резкому возрастанию тока и потерь холостого хода. Частота вращения ротора связана с частотой f1, числом пар полюсов р, и скольжением зависимостью:

, (10.7)

откуда следует, что постоянство частоты обеспечивается только в том случае, если: . При выполнении этого условия на частоте f1, равной согласно (10.6):

.

в контуре возбуждения «L1 - C» возникает резонанс напряжений. В генераторном режиме скольжение асинхронной машины отрицательно, поэтому при возрастании нагрузки частоту вращения ротора необходимо увеличивать. Однако, если скольжение изменяется в малых пределах, практически: , и при достаточной мощности первичного привода изменения частоты f1 будут незначительны.

Асинхронные генераторы с самовозбуждением находят применение в качестве автономных источников питания, сварочных генераторов и некоторых других случаях.

Асинхронные преобразователи частоты

Асинхронные преобразователи частоты используются в качестве источников питания потребителей при частоте, отличной от 50 Гц. Наибольшее значение имеют преобразователи частоты 50/200 Гц, применяемые для питания электрифицированных ручных инструментов, стригальных машинок, и других потребителей, к которым предъявляются особые требования по массо-габаритным показателям.

Принципиально асинхронный преобразователь состоит из двух машин с общим валом. Одна из них (М1) работает в режиме двигателя, а вторая (М2) имеет фазный ротор, и работает в режиме электромагнитного торможения (рис. 10.6). Обычно М1 и М2 конструктивно машины объединяются, что позволяет уменьшить массо-габаритные показатели преобразователей.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Фазный ротор машины М2 рассчитывается на определенное напряжение, а частота наводимой в нем ЭДС зависит от скольжения, и определяется выражением:

.

Таким образом, для получения заданного значения частоты f2 необходимо обеспечить вращение ротора М2 с определенным скольжением, которое в общем случае составляет:

, (10.9)

где - скольжение двигателя М1.

Машина М1 работает в режиме двигателя, поэтому скольжение s1 очень мало, а машина М2, работающая в режиме электромагнитного тормоза, имеет большое скольжение s2, которое определяется практически только противоположными по знаку синхронными частотами вращения первой щ11 и второй щ12 машин. Требуемое значение s2 получают, подбирая определенное число пар полюсов в машинах:

. (10.10)

Например, для получения частоты, близкой к 200 Гц, необходимо иметь машины с одной и тремя парами полюсов: ; . Частота ЭДС в роторе при этом составляет:

, Гц.

Скольжение s1 зависит от частоты вращения ротора преобразователя, и потому изменяется при изменениях нагрузки, увеличение которой приводит к снижению частоты f2, а уменьшение - напротив, к возрастанию. Зависимость выходной частоты от нагрузки является недостатком асинхронных преобразователей, поскольку влияет на характеристики подключаемых к ним потребителей.

Снижение частоты f2 приводит к уменьшению индуктивного сопротивления и нелинейному возрастанию намагничивающего тока электродвигателей ручных инструментов, что в свою очередь вызывает их интенсивный нагрев.

Важное преимущество асинхронных преобразователей частоты по сравнению с синхронными генераторами заключается в относительно малой установленной мощности электрических машин. Электромагнитная мощность первой машины РЭМ, сообщаемая за вычетом потерь, ротору второй машины в виде механической мощности Рмех, равна: . Вторая часть мощности, поступающей на фазный ротор представляет собой электромагнитную мощность машины М2:

В установившемся режиме работы электромагнитный момент двигателя уравновешивается противоположным по знаку тормозным моментом второй машины: , а их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях. В результате электромагнитные мощности имеют одинаковые знаки, а их сумма за вычетом потерь равна мощности нагрузки:

. (10.11)

Таким образом, каждая из машин рассчитывается только на часть мощности нагрузки, пропорциональную ее частоте вращения. Так, при: ; (без учета потерь) имеем:

; .

В асинхронных преобразователях частоты отсутствует возможность регулирования частоты и величины выходного напряжения, поэтому для частотного регулирования они не применяются.

С точки зрения надежности существенным недостатком является наличие подвижных щеточных контактов, которые рассчитываются на полную мощность нагрузки.

Размещено на Allbest.ru