Машины переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Машины переменного тока

1. Асинхронные машины - это бесколлекторная машина переменного тока, у которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Асинхронные двигатели являются самыми распространенными из всех двигателей. Их преимущества состоят в простоте устройства, большой надежности и сравнительно низкой стоимости.

Широко применяются трехфазные асинхронные двигатели, предложенные М.О. Доливо-Добровольским в 1888 г. Они выполняются мощностью от долей ватта до тысяч киловатт, с частотой вращения от 500 до 3000 об/мин и напряжением до 10 кВ. Однофазные асинхронные двигатели используют для привода бытовых приборов, электроинструмента, в схемах автоматики. Они питаются от однофазной цепи и имеют мощность, как правило, не выше 0,5 кВт.

Асинхронные машины могут работать в режиме генератора. Но как источники электрической энергии они почти не применяются, так как не имеют собственного источника возбуждения магнитного потока и по своим показателям уступают синхронным генераторам.

Асинхронные машины применяют в качестве регуляторов напряжения, фазорегуляторов, преобразователей частоты и др.

Недостатками асинхронных машин являются сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных характеристик.

Асинхронный двигатель.

Вопросы:

1. устройство и условное обозначение на схемах.

2. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД

3. Схема замещения и векторная диаграмма АД

4. Электромагнитный момент

5. Механическая характеристика

6. Способы пуска

7. Регулирование частоты вращающегося двигателя

8. Однофазный АД. Принцип действия.

Преимущество АД:

1. Принципиальное отсутствие коллектора, поэтому двигатель более подвижен.

2. Имеет меньшие габариты, вес и материалоемкость а значит меньшую стоимость.

3. Питается от сети синусоидального тока

Недостатки АД:

1. Маленький пусковой момент

2. Узкий диапазон регулирования частоты вращения электрическими методами.

I. Устройство и условное обозначение на схемах.

Асинхронный двигатель состоит из статора, ротора и подшипниковых щитов (рис. 11.1). Статор - неподвижная часть двигателя - имеет цилиндрическую форму. Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и обмотки 3. Корпус литой стальной или чугунный. Магнитопровод статора собирается из тонких листов электротехнической стали. На внутренней поверхности он имеет пазы, в которые укладывается обмотка статора. Ротор асинхронного двигателя - вращающаяся часть - состоит из стального вала 4, магнитопровода 5, набранного из листов электротехнической стали с выштампованными пазами. Обмотка ротора бывает короткозамкнутой или фазной. Короткозамкнутая обмотка выполняется из алюминиевых или медных стержней, замкнутых с обоих торцов ротора накоротко. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, соединенную в звезду. Выводы обмотки подсоединены к кольцам на валу и с помощью щеток подсоединяются к реостату или другому устройству. Вращающийся ротор размещают на общем валу cо статором. Вал вращается в подшипниковых щитах. Соединение обмотки статора осуществляется в коробке, в которую выведены начала фаз С 1, С 2, С 3 и концы фаз С 4, С 5, С 6. На рис. 11.2 показаны схемы расположения этих выводов (рис. 11.2 а) и способы соединения их между собой при соединении фазных обмоток звездой (рис. 11.2 б) и треугольником (рис. 11.2 в). ток магнитный ротор

Рис. 11.1

Если в паспорте двигателя указаны два напряжения, например, 380/220, то большему напряжению соответствует соединение звездой, более меньшему - треугольником. В обоих случаях напряжение на фазе двигателя равно 220 В.

а) б) в)

Рис. 11.2

Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД.

Основой действия асинхронного двигателя является вращающееся магнитное поле. Принцип получения вращающегося магнитного поля заключается в том, что если по системе проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле.

Рассмотрим получение вращающегося поля в трехфазном двигателе. На рис. 11.3 показаны три фазные обмотки A - X, B - Y, C - Z, каждая в виде одного витка. От источника питания к обмоткам подводится трехфазная система токов

;;. (11.1)

Положительные направления токов приняты от начала обмотки к концу, а соответствующие им пульсирующие магнитные потоки образуют трехфазную звезду .

Рассмотрим результирующий магнитный поток для нескольких моментов времени.

В начальный момент времени при = 0



а) б)

Рис. 11.3

Им соответствуют магнитные потоки

; ; ,

где - максимальное значение потока фазы.

Результирующий магнитный поток в 1,5 раза больше фазного и направлен по вертикали вниз.

В момент времени токи в обмотках

.

Этим токам соответствуют магнитные потоки

; .

На рис. 11.4 б показаны векторы результирующего магнитного потока и его составляющие. Направление потока отличается от предыдущего на 90°, а его значение не изменилось

.

В момент времени , соответствующий , токи в обмотках:

Этим токам соответствуют магнитные потоки

.

На рис. 11.4 в показаны результирующий магнитный поток и его составляющие. По сравнению с начальным моментом времени результирующий магнитный поток изменил направление на 180°, а его значение осталось неизменным и равным

.; .

Таким образом, трехфазная обмотка, питаемая сдвинутыми на 120° токами, создает вращающееся магнитное поле. Результирующий поток остается неизменным и равным 1,5 от максимального потока фазы. Направление этого потока всегда совпадает с направлением магнитного потока той фазы, ток в которой в данный момент максимален. Поэтому для изменения направления вращения необходимо поменять местами любые две фазы.

Рассмотренные примеры относятся к двухполюсному исполнению обмотки () при частоте вращения поля . В общем случае частота вращения поля

,

где - число пар полюсов машины; - частота тока статора.

Итак, трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со скоростью

.

Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.

Отношение

(11.3)



Рис. 11.5

Или

(11.4)

называется скольжением асинхронной машины.

В зависимости от соотношения и различают три режима работы: в режиме двигателя; в режиме генератора; в режиме электромагнитного тормоза.

Работа в режиме двигателя. На рис. 11.5 показано магнитное поле статора, вращающееся по часовой стрелке. При линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью . Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом - от нас. То же направление имеют и активные составляющие токов в проводниках. Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость , с которой вращается двигатель, зависит от его нагрузки. При холостом ходе скорость становится почти равной , так как при = 0 ЭДС и токи в роторе равны нулю и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина работает в режиме двигателя в пределах от = 0 до , т.е. при скольжении от +1 до 0. При этом электрическая энергия, подводимая к статору из сети, преобразовывается в механическую энергию на валу.

Работа в режиме генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью . В этом случае скольжение будет отрицательным, а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с работой в режиме двигателя. Момент на валу становится тормозящим по отношению к вращающему моменту первичного двигателя. Асинхронная машина работает генератором. Механическая энергия, подведенная к валу, преобразовывается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом, асинхронная машина может работать в режиме генератора параллельно с сетью в пределах от до , т.е. при скольжении от до .

Работа в режиме электромагнитного тормоза. Допустим, что ротор приводится во вращение против направления вращения магнитного потока статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон - электрическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим работы называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от до . Примером практического применения режима электромагнитного тормоза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.

Схема замещения и векторная диаграмма асинхронного двигателя

При анализе работы асинхронной машины используют схему замещения. Переход от схемы с электромагнитной связью к схеме с электрической связью показан на (рис. 11.6). На схеме замещения (рис. 11.6 а) электромагнитная связь осуществляется через основной магнитный поток , который индуктирует в обмотке статора ЭДС , а в обмотке вращающегося ротора - ЭДС , определяемые уравнениями (11.5) и (11.8). Схема замещения (рис. 11.6 б) соответствует неподвижному ротору, для которого индуктивное сопротивление равно , активное - . При этом ЭДС ротора определяется выражением (11.9), а уравнение электрического равновесия для цепи ротора имеет вид

. (11.23)

Умножив это равенство на коэффициент трансформации ЭДС (11.11) с учетом (11.12) и (11.21) получим

, (11.24)

где

-

приведенное активное сопротивление фазы ротора;

-

приведенное индуктивное сопротивление фазы ротора.



Рис. 11.6

Уравнение (11.24) позволяет перейти к схеме замещения (рис. 11.6. в) с электрической связью между статором и ротором. В ветви намагничивания протекает ток , который согласно (11.20) и схеме замещения (рис. 11.6 в) определяется по формуле

.

Падения напряжения от этого тока на сопротивлениях и равны ЭДС: .

Уравнение электрического равновесия для цепи статора

 (11.25)

аналогично уравнению (9.7) для первичной цепи трансформатора.

Рис. 11.7

Схеме замещения (рис. 11.6 в) и уравнениям (11.24) и (11.25) соответствует векторная диаграмма (рис. 11.7). Из рис. 11.18 видно, что с увеличением момента нагрузки на валу и, следовательно, скольжения, возрастает ток ротора . Из векторной диаграммы следует, что одновременно увеличивается ток статора и уменьшается фаза . С увеличением тока увеличиваются падения напряжения на статоре и когда падение напряжения становится соизмеримым с напряжением , угол вновь возрастает.

В режиме холостого хода ток ротора 0, угол сдвига тока статора относительно напряжения сети близок к .

Электромагнитный момент

Электромагнитная мощность равна произведению электромагнитного вращающего момента и угловой скорости вращения магнитного потока

.

Механическая мощность на валу ротора равна произведению момента на угловую скорость вращения ротора

.

Разность электромагнитной и механической мощностей, затрачиваемая на электрические потери в активном сопротивлении ротора,

.

Рис. 11.9

Учитывая (11.31), получим

,

где .

Из векторной диаграммы для ротора (рис. 11.9) получаем

.

Формула для вращающего момента приобретает вид

, (11.42)

где - постоянный коэффициент.

Из (11.42) следует, что вращающий момент пропорционален произведению магнитного потока и активной составляющей тока ротора. Для определения момента через параметры двигателя выразим ток из схемы рис. 11.6 в без учета тока холостого хода

и через параметры ротора

.Подставив последнее соотношение в (11.42) с учетом

, ,

где - число витков ротора на одну фазу статора (число фаз = 3); р - число пар полюсов;

, получаем

. (11.43)

Согласно (11.43) электромагнитный момент при любом скольжении пропорционален квадрату напряжения фазы статора и тем меньше, чем больше и индуктивное сопротивление машины .

Рис. 11.10

Графическая зависимость показана на рис. 11.10.

Характерными точками для режима двигателя являются:

режим холостого хода: = 0, = 0;

номинальный режим: =0,02…0,06, ;

режим максимального (критического) момента: , ;

режим пуска: = 1,0, .

Максимум вращающего момента разделяет кривую на устойчивую часть от = 0 до и неустойчивую - от до = 1. Увеличение тормозного момента выше максимального ведет к остановке двигателя.

Максимальный момент и критическое скольжение можно выразить через параметры машины, приравняв к нулю первую производную по (11.43)

, (11.44)

. (11.45)

В этих соотношениях знак плюс относится к двигательному, знак минус - к генераторному режиму работы. Напомним, что формулы получены без учета активного сопротивления обмотки статора.

Путем преобразования уравнения (11.43) с учетом (11.44) и (11.45) получим формулу момента в относительных единицах

.Механическая характеристика

Рис. 11.11

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу . Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то и механическая характеристика представляется зависимостью . Если учесть взаимосвязь

,

то механическую характеристику можно получить из (11.43) или (11.46), представив ее графическую зависимость в координатах и (рис. 11.11).

Пример 11.1. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: = 14 кВт, = 960 об/мин, = 0,85, = 0,88, кратность максимального момента = 1,8.

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику.

Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети

кВт.

Номинальный ток, потребляемый из сети

А.

Число пар полюсов

,

где = 1000 - синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте = 960 об/мин.

Номинальное скольжение

.

Номинальный момент на валу двигателя

Н·м.

Критический момент

Н·м.

Критическое скольжение находим по (11.46), подставив ,

и

.

Для построения механической характеристики с помощью определим характерные точки: точка холостого хода = 0, = 1000 об/мин, = 0, точка номинального режима = 0,04, = 960 об/мин, = 139,3 Н·м и точка критического режима = 0,132, = 868 об/мин, =250,7 Н·м.

Для точки пускового режима = 1, = 0 из (11.46) находим

Н·м.

По полученным данным строят механическую характеристику. Для более точного построения следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

Итак,

Режим	Холостой ход	номинальный	критический	Пуск
S	0	Sн	Sкр	1
N2	N1	Nn	N2кр	0
Mc	0	Mн	Mкр	MПУСК

Пуск и регулирование скорости асинхронного двигателя

Способы пуска

При пуске ротор разгоняется от частоты вращения = 0 до некоторой частоты . Пуск возможен только тогда, когда вращающий момент двигателя больше момента сопротивления. Ниже рассмотрены основные способы пуска.

Прямой пуск осуществляется включением обмотки статора на напряжение сети. В первый момент скольжения = 1, пусковой ток максимален

. (11.47)

Кратность пускового тока

.

Пусковой момент по (11.43)

. (11.48)

Анализ (11.48) показывает, что при прямом пуске возникают большой бросок тока и относительно небольшой пусковой момент. Это оказывает отрицательное влияние на возможность пуска самого электродвигателя и на устойчивость работы других электродвигателей из-за снижения напряжения.

Пуск переключением обмотки статора применяется для двигателей, работающих при соединении обмоток статора в треугольник. При пуске обмотка статора с помощью переключателя соединяется в звезду. В результате линейный пусковой ток уменьшается примерно в три раза, пусковой момент также уменьшается в три раза. Если пусковой момент достаточен для разгона электропривода, то такой пуск допустим. После пуска обмотку статора переключают на схему треугольника, и двигатель работает в нормальном режиме.

При автотрансформаторном пуске обмотка статора включается на пониженное напряжение с помощью автотрансформатора. Двигатель разгоняется при пусковом токе и моменте в раз меньше по сравнению с прямым пуском, где - коэффициент трансформации понижающего автотрансформатора. В конце разгона двигатель переключается на напряжение сети.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора чере 5з контактные кольца и щетки. Сопротивление пускового резистора в фазе выбирают таким, чтобы пусковой момент был максимальным. Так как = 1 и , то с помощью (11.45) находим

,

откуда

.

Пуск двигателя поясняется схемой на рис. 11.11. В момент пуска двигатель развивает максимальный момент и разгон происходит на участке механической характеристики 1.

Рис. 11.12

В момент, соответствующий точке , выключается первая ступень резистора и момент скачком увеличивается до точки механической характеристики 2; при разгоне до точки выключается вторая ступень резистора и рабочая точка скачком переходит в точку естественной механической характеристики 3. Установившийся режим наступает в точке соответствующей равенству моментов двигателя и нагрузки. Резистор закорачивается и щетки отводятся от колец.

Такой способ пуска применяют, как правило, для двигателей большой мощности при ограниченном пусковом токе и высоких требованиях к приводу. Недостатками способа являются значительные потери электрической энергии в пусковом резисторе и сложность устройства ротора.

Пример 11.2. Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет номинальные параметры: = 30 кВт, = 1500 об/мин, = 0,03 Ом и = 0,144 Ом. Определить сопротивление добавочного резистора , который должен быть включен в фазу ротора для обеспечения пускового момента, равного критическому.

Решение. Согласно (11.45) в режиме пуска

,

Откуда

Ом.

Регулирование частоты вращения двигателя

Частота вращения асинхронного двигателя

.

Из этого равенства следует, что изменять частоту вращения можно изменением частоты числа пар полюсов и скольжения .

Регулирование изменением частоты тока статора (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой. В качестве такого источника может быть использован синхронный генератор с переменной скоростью вращения или полупроводниковый преобразователь частоты. В этом случае частота вращения и частота вращения ротора изменяются пропорционально частоте сети. Частотное регулирование обычно совмещают с изменением напряжения по закону

.

К недостаткам частотного регулирования относятся громоздкость и высокая скорость питающей установки.

Для регулирования частоты вращения изменением числа пар полюсов применяют двигатели с короткозамкнутым ротором, у которых на статоре нескольких обмоток, размещенных в общих пазах и разное число пар полюсов или обмотки, которые позволяют получить различные числа пар полюсов путем изменения (переключения) их схемы соединения.

Такое регулирование возможно, так как у короткозамкнутого двигателя число полюсов ротора всегда равно числу полюсов вращающегося магнитного поля. Регулирование изменением числа пар полюсов является ступенчатым и применяется для уменьшения числа ступеней в коробках скоростей, вентиляторах, насосах и др.

Двигатели с изменяемым числом пар полюсов называют многоскоростными. Их выпускают на две, три или четыре скорости вращения, причем двухскоростные изготавливают с одной обмоткой на статоре с переключением числа пар полюсов в отношении , трехскоростные - с двумя обмотками на статоре, из которых одну выполняют двухскоростной с и четырехскоростные - с двумя обмотками, каждая из которых выполняется с переключением числа полюсов в отношении 2/1.

Масса и стоимость многоскоростных двигателей больше, чем односкоростных двигателей. Но их часто применяют в установках дискретного изменения частоты вращения.

Рис. 11.13

Регулирование скорости уменьшением напряжения на статоре. При уменьшении напряжения момент двигателя изменяется пропорционально , что изменяет его механические характеристики, следовательно, и скольжение. Как видно из рисунка 11.13, пределы регулирования скорости соответствуют изменению скольжения в интервале . Схемы автоматического регулирования позволяют расширить зону регулирования в области и обеспечить при этом жесткие механические характеристики.

Однофазный асинхронный двигатель

Принцип действия. Однофазный асинхронный двигатель - двигатель, на статоре которого однофазная обмотка, а на роторе - короткозамкнутая обмотка. Однофазный ток статора создает пульсирующий магнитный поток, изменяющий свое направление с частотой напряжения сети. Этот поток все время направлен по осевой линии полюсов и изменяется во времени по синусоидальному закону. Пульсирующий магнитный поток можно представить в виде двух вращающихся с одинаковой частотой в противоположном направлении потоков, амплитуды которых равны половине амплитуды пульсирующего потока. На рис. 11.14 а показаны векторы вращающихся потоков и в момент времен = 0, соответствующий амплитуде тока и магнитного потока однофазной обмотки.

а) б) в)

Рис. 11.14

Через время векторы и переместились в противоположном направлении на угол (рис. 11.14 б) и результирующий поток

,

а его направление по-прежнему совпадает с осевой линией полюсов. На рис. 11.14 в показаны магнитные потоки при , когда вращающиеся векторы и повернулись на угол и результирующий магнитный поток = 0. Дальнейшее изменение тока ведет к изменению направления потока и т. д.

Вращающиеся потоки создают вращающие моменты

и ,

где - скольжения ротора по отношению к прямому потоку (направления вращения ротора и потока совпадают) и обратному потоку

и .

На рис. 11.15 а приведены зависимости , и суммарного момента , а на рис. 11.15 б - соответствующие им механические характеристики.

а) б)

Рис. 11.15

Анализ зависимостей и показывает, что при неподвижном роторе ( =0), =0, т.е. пусковой момент равен нулю. Если ротор приведен во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов или будет большим. Если при этом результирующий момент больше момента сопротивления , то двигатель достигнет определенной установившейся скорости вращения.

Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой (рис. 11.16) имеет дополнительную обмотку П, смещенную относительно рабочей обмотки Р на ноль электрических градусов. В цепь пусковой обмотки включен фазосмещающий элемент . Таким элементом может быть активное , емкостное

и индуктивное

сопротивления. На рис. 11.16 показаны векторные диаграммы токов с учетом активного и индуктивного сопротивлений самих обмоток. Из них видно, что при и

ток в пусковой обмотке по фазе опережает ток в рабочей обмотке на угол а при - отстает. Результирующая МДС обмоток создает вращающееся магнитное поле и пусковой момент. Лучшие условия пуска обеспечиваются при включении конденсатора в пусковую фазу. Так как требуемая емкость конденсатора значительна, этот метод пуска применяют при большом пусковом моменте. Чаще применяют пуск с помощью активного сопротивления. При этом пусковая обмотка должна быть выполнена с увеличенным активным сопротивлением.

Рис. 11.16

Трехфазный асинхронный двигатель в однофазном режиме. Возможны различные варианты использования трехфазных двигателей в однофазном режиме. схемы включения показаны на рис. 11.17.

Рекомендуемые параметры:

емкости конденсаторов, мкФ и их рабочие напряжения:

для схемы рис. 11.17 а = 2800 , напряжение ;

для схемы рис. 11.17 б = 4800 ; напряжение ;

для схемы рис. 11.17 в = 1600; напряжение ;

для схемы рис. 11.17 г = 2740 . напряжение .

Нагрузка двигателя с конденсатором

.

При пуске с номинальным моментом общая емкость конденсатора должна составлять

Сп = Ср + Со = (2,5…3,0)Ср,

а отключаемая после пуска Со = (1,5…2,0)Ср,.

Для пуска без нагрузки отключаемый конденсатор не требуется.

а) б)

в) г)

Рис. 11.17

Пример 11.3. Определить параметры схемы (рис. 11.17 а) для пуска двигателя 4А 71АЧУ 3, мощностью 0,55 кВт, напряжением 220/380 B и током 2,9/1,7 А при номинальной нагрузке.

Решение. Емкость конденсатора

= 12,5 мкФ.

Емкость отключаемого конденсатора Со = (1,5…2,0)Ср. Принимаем = мкФ.

Напряжение на конденсаторах = 1,15· = 1,15·380=437 В.

Выбираем пять конденсаторов типа БГТ по 6 мкФ с напряжением 600 В.

Размещено на Allbest.ru

...