Размещено на http: //www. allbest. ru/

Электрические машины переменного тока

1. Асинхронные машины

1.1 Общие сведения

Асинхронная машина - 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.

1.2 Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из статора, ротора и подшипниковых щитов (рис. 1.1). 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 С1, С2, С3 и концы фаз С4, С5, С6. На рис. 1.2 показаны схемы расположения этих выводов (рис. 1.2 а) и способы соединения их между собой при соединении фазных обмоток звездой (рис. 1.2 б) и треугольником (рис. 1.2 в).

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.



Рис. 1.1

Рис. 1.2

1.3 Получение вращающегося магнитного поля

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. 1.3 показаны три фазные обмотки A - X, B - Y, C - Z, каждая в виде одного витка. От источника питания к обмоткам подводится трехфазная система токов

;;. (1.1)

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

Рис. 1.3

Им соответствуют магнитные потоки

; ; ,

где - максимальное значение потока фазы.

Результирующий магнитный поток в 1,5 раза больше фазного и направлен по вертикали вниз (рис. 1.4 а).

В момент времени

токи в обмотках

.

Этим токам соответствуют магнитные потоки

; .

На рис. 1.4 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. 1.4 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

.; .



Рис. 1.4

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

, (1.2)

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

1.4 Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы

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

(1.3)

Рис. 1.5

Или

(1.4)

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. 1.5 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.

1.5 Электродвижущие силы в обмотках статора и ротора

Вращающийся магнитный поток в воздушном зазоре пересекает проводники обмоток статора и ротора и индуктирует в них синусоидальные ЭДС. ЭДС одного витка

,

где - максимальное значение вращающегося магнитного потока.

Обмотка статора имеет витков, уложенных в пазах. В один и тот же момент времени мгновенные значения ЭДС, наведенные в витках, получаются сдвинутыми по фазе. Суммарная ЭДС равна геометрической сумме ЭДС, которая меньше алгебраической суммы. Эта разность учитывается коэффициентом распределения. Кроме того, в электрических машинах переменного тока применяют укороченные шаги обмотки и профилирование пазов с целью получения синусоидального распределения потока. Эти меры также уменьшают ЭДС, что учитывается соответствующими коэффициентами укорочения и скоса пазов. Произведение всех трех коэффициентов называется обмоточным коэффициентом, числовое значение которого = 0,92…0,98. Амплитуда ЭДС фазной обмотки статора

,

а ее действующее значение с учетом можно записать в виде

. (1.5)

Сравнение (1.5) с (7.3) показывает, что ЭДС обмотки статора зависит от тех же параметров, что и ЭДС первичной обмотки трансформатора, если принять = 1.

Частота этой ЭДС

. (1.6)

ЭДС, наведенная в обмотке ротора, имеет частоту

. (1.7)

В режиме двигателя частота ЭДС ротора при пуске равна частоте напряжения сети, а в рабочем режиме составляет несколько герц. Так, при = 0,04 частота ЭДС в роторе = 50·0,04 = 2 Гц.

ЭДС обмотки вращающегося ротора

,

где - обмоточный коэффициент для обмотки ротора, - число витков фазы обмотки ротора.

В короткозамкнутой обмотке в пазу находится один проводник, который представляет собой отдельную фазу. Поэтому = 0,5, а = 1.

У двигателя с фазным ротором

С учетом (1.7) ЭДС вращающегося ротора можно представить в виде

, (1.8)

ЭДС неподвижного ротора при = 1

. (1.9)

Следовательно, ЭДС вращающегося ротора (1.8) можно выразить через ЭДС неподвижного ротора

, (1.10)

т.е. ЭДС обмотки ротора прямо пропорциональна скольжению или обратно пропорциональна частоте вращения ротора. Максимальное значение ЭДС ротора в режиме двигателя соответствует скольжению = 1, т.е. при неподвижном роторе.

Из сравнения (1.5) и (1.9) следует, что асинхронная машина подобна трансформатору с коэффициентом трансформации по ЭДС

. (1.11)

По аналогии с трансформатором введем понятие ЭДС заторможенного ротора, приведенной к статору

. (1.12)

Кроме рассмотренных ЭДС обмоток статора и ротора, обусловленных результирующим (основным) магнитным потоком, в обмотках индуктируются ЭДС от потоков рассеяния:

в обмотках статора

, (1.13)

в обмотках ротора

. (1.14)

Составляющие напряжения сети, соответствующие ЭДС самоиндукции, представляют в виде

, (1.15)

где - индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной фазы статорной обмотки, и в виде

(1.16)

где

- индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной фазы обмотки вращающегося ротора.

1.6 Ток ротора

Под действием ЭДС ротора (1.10) в его обмотке протекает ток

. (1.17)

С учетом равенств

 и получаем

. (1.18)

Ток по (1.18) равен току (1.17), но отличается тем, что имеет частоту, равную частоте неподвижного ротора, т.е. частоте напряжения сети. Угол сдвига по фазе между ЭДС и током остается неизменным

.

1.7 Частота вращения магнитного потока ротора

Так как в короткозамкнутом роторе каждый стержень (в пазу проводника) образует отдельную фазу, а пазы ротора сдвинуты в пространстве, то сдвинутые по фазе токи в стержнях создают вращающееся магнитное поле. В любом случае частота вращения магнитного потока ротора в пространстве равна сумме частоты вращения самого ротора и частоты вращения потока ротора относительно ротора

, т.е. .

Таким образом, магнитные потоки статора и ротора вращаются относительно статора с одинаковой частотой и образуют один результирующий магнитный поток.

1.8 Уравнения магнитодвижущих сил и ток статора асинхронного двигателя

При холостом ходе асинхронного двигателя МДС ротора близка к нулю и вращающийся магнитный поток создается только МДС статора

,

где - ток холостого хода двигателя.

При увеличении нагрузки на валу двигателя увеличивается ток ротора, а его МДС

.

Геометрическая сумма МДС статора и ротора всегда равна МДС статора при холостом ходе

.

Отсюда

(1.19)

Или

, (1.20)

где - приведенный ток ротора. (1.21)

Здесь - коэффициент трансформации по току.

Из (1.20) ток статора двигателя

. (1.22)

Уравнения токов (1.20) и (1.22) аналогичны соответствующим уравнение для токов трансформатора. Ток статора, как и ток первичной обмотки трансформатора, имеет составляющие тока холостого хода и ток ротора, обусловленный нагрузкой. Отличие заключается в том, что ток холостого хода асинхронного двигателя намного больше, чем в трансформаторе, и составляет 40…60 % от номинального значения. Это обусловлено двойным воздушным зазором в магнитной системе машины.

Составляющая тока ротора появляется тогда, когда к валу ротора приложен тормозной момент. При этом приведенный ток отличается от реального не только за счет разного числа витков и обмоточных коэффициентов обмоток статора и ротора, но и числа фаз обмоток ротора. Поэтому для приведения ротора необходимо, чтобы

, , ,

что было учтено в (1.20).

1.9 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. 1.6). На схеме замещения (рис. 1.6 а) электромагнитная связь осуществляется через основной магнитный поток , который индуктирует в обмотке статора ЭДС , а в обмотке вращающегося ротора - ЭДС , определяемые уравнениями (1.5) и (1.8). Схема замещения (рис. 1.6 б) соответствует неподвижному ротору, для которого индуктивное сопротивление равно , активное - . При этом ЭДС ротора определяется выражением (1.9), а уравнение электрического равновесия для цепи ротора имеет вид

. (1.23)

Умножив это равенство на коэффициент трансформации ЭДС (1.11) с учетом (1.12) и (1.21) получим

, (1.24)

где

приведенное активное сопротивление фазы ротора;

-

приведенное индуктивное сопротивление фазы ротора.

Рис. 1.6

Уравнение (1.24) позволяет перейти к схеме замещения (рис. 1.6. в) с электрической связью между статором и ротором.

В ветви намагничивания протекает ток , который согласно (1.20) и схеме замещения (рис. 1.6 в) определяется по формуле

Падения напряжения от этого тока на сопротивлениях и равны ЭДС:

.

.

Уравнение электрического равновесия для цепи статора

(1.25)

аналогично уравнению (9.7) для первичной цепи трансформатора.

Рис. 1.7

Схеме замещения (рис. 1.6 в) и уравнениям (1.24) и (1.25) соответствует векторная диаграмма (рис. 1.7). Из рис. 1.18 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 .

1.10 Энергетический баланс асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них.

Активная мощность

(1.26)

Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки

, (1.27)

часть - в виде магнитных потерь в магнитопроводе статора

. (1.28)

Оставшаяся часть мощности

(1.29)

представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую с помощью магнитного поля из статора в ротор. На схеме замещения (рис. 1.6 в) этой мощности соответствует мощность, пропорциональная активному сопротивлению . Поэтому

. (1.30)

Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора

. (1.31)

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность ротора

(1.32)

или, с учетом уравнений (1.30) и (1.31)

. (1.33)

Полезная механическая мощность на валу двигателя меньше механической мощности на величину механических и добавочных потерь

. (1.34)

Из уравнений (1.30)…(1.32) следует, что

, (1.35)

. (1.36)

Таким образом, активная мощность представляет собой среднюю мощность преобразования в двигателе электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии. Процесс преобразований активной энергии в режиме двигателя изображен на рис. 1.8 а в виде энергетической диаграммы.

Сумма потерь в двигателе

вычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу

.

Рис. 1.8

КПД двигателя

. (1.37)

Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности

. (1.38)

Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния

. (1.39)

Оставшаяся мощность

(1.40)

расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность

(1.41)

расходуется на создание полей рассеяния в роторе.

Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 1.8 б.

1.11 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

.

Как следует из рис. 1.8, разность электромагнитной и механической мощностей, затрачиваемая на электрические потери в активном сопротивлении ротора,

.

Рис. 1.9

Учитывая (1.31), получим

,

где .

Из векторной диаграммы для ротора (рис. 1.9) получаем

.

Формула для вращающего момента приобретает вид

,

где -

постоянный коэффициент.

Из (1.42) следует, что вращающий момент пропорционален произведению магнитного потока и активной составляющей тока ротора. Для определения момента через параметры двигателя выразим ток из схемы рис. 1.6 в без учета тока холостого хода

и через параметры ротора

.

Подставив последнее соотношение в (1.42) с учетом

, ,

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

, получаем

. (1.43)

Согласно (1.43) электромагнитный момент при любом скольжении пропорционален квадрату напряжения фазы статора и тем меньше, чем больше и индуктивное сопротивление машины .

Рис. 1.10

Графическая зависимость показана на рис. 1.10.

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 (1.43)

, (1.44)

. (1.45)

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 (1.43) с учетом (1.44) и (1.45) получим формулу момента в относительных единицах

. (1.46)

1.12 Механическая характеристика

Рис. 1.11

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 (1.43) или (1.46), представив ее графическую зависимость в координатах и (рис. 1.11).

Пример 1.1. 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 (1.46), 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 (1.46) находим

Н·м.

По полученным данным строят механическую характеристику. Для более точного построения следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений по (1.46) определить моменты, а по (1.4) - частоту вращения.

1.13 Пуск и регулирование скорости асинхронного двигателя

1.13.1 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

. (1.47)

Кратность пускового тока

.

Пусковой момент по (1.43)

. (1.48)

Анализ (1.48) 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 чере5з контактные кольца и щетки. Сопротивление пускового резистора в фазе выбирают таким, чтобы пусковой момент был максимальным. Так как = 1 и , то с помощью (1.45) находим

,

Откуда

.

Пуск двигателя поясняется схемой на рис. 1.1. В момент пуска двигатель развивает максимальный момент и разгон происходит на участке механической характеристики 1.



Рис. 1.12

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 1.2. 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 (1.45) в режиме пуска

,

Откуда

Ом.

1.13.2 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. 1.13

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 1.13, пределы регулирования скорости соответствуют изменению скольжения в интервале . Схемы автоматического регулирования позволяют расширить зону регулирования в области и обеспечить при этом жесткие механические характеристики.

1.14 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. 1.14 а показаны векторы вращающихся потоков и в момент времен = 0, соответствующий амплитуде тока и магнитного потока однофазной обмотки.

Рис. 1.14

Через время

векторы и переместились в противоположном направлении на угол (рис. 1.14 б) и результирующий поток

,

а его направление по-прежнему совпадает с осевой линией полюсов. На рис. 1.14 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. 1.15 а приведены зависимости , и суммарного момента , а на рис. 1.15 б - соответствующие им механические характеристики. 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.



Рис. 1.15

Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой (рис. 1.16) 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. 1.16 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. 1.16

Трехфазный асинхронный двигатель в однофазном режиме. Возможны различные варианты использования трехфазных двигателей в однофазном режиме. схемы включения показаны на рис. 1.17.

Рекомендуемые параметры:

емкости конденсаторов, мкФ и их рабочие напряжения:

для схемы рис. 1.17 а = 2800 , напряжение ;

для схемы рис. 1.17 б = 4800 ; напряжение ;

для схемы рис. 1.17 в = 1600; напряжение ;

для схемы рис. 1.17 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.



Рис. 1.17

Пример 1.3. Определить параметры схемы (рис. 1.17 а) для пуска двигателя 4А71АЧУ3, 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.

1.15 Синхронные машины. Общие сведения

Синхронными машинами называют электрические машины переменного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой тока электрической сети.

Трехфазные синхронные генераторы являются основными источниками электрической энергии. Первичными двигателями для них являются паровые или гидравлические турбины. По этому признаку генераторы называют турбогенераторами и гидрогенераторами. На автономных электростанциях синхронные генераторы имеют небольшую мощность и приводятся во вращение дизельными двигателями, газовыми турбинами или от ветроколеса.

К преимуществам синхронных генераторов следует отнести:

- способность вырабатывать как активную, так и реактивную мощность (с возможностью ее регулирования);

- возможность регулирования выходного напряжения;

- возможность работы как с сетью, так и в автономном режимах без применения каких-либо сложных дополнительных устройств;

- высокий КПД.

Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения и поэтому применяются там, где не требуется регулирование частоты или она должна быть постоянной. Мощность синхронных двигателей составляет десятки, сотни и тысячи киловатт на крупных металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях. Имеются также синхронные микродвигатели мощностью от долей ватта до десятков ватт, используемых в схемах автоматики. Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить источником реактивной мощности. Специально предназначенный для этих целей ненагруженный активной мощностью двигатель называется синхронным компенсатором.

1.16 Устройство синхронной машины

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря, и вращающегося ротора, служащего индуктором.

Статор, так же как у асинхронный машины, представляет собой полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали со штампованными на внутренней поверхности пазами, в которые укладывается трехфазная обмотка.

Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током через два изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

Принцип получения трехфазной системы ЭДС был рассмотрен в главе «Трехфазные цепи».

Рис. 1.18

Конструктивно различают два типа роторов: явнополюсный (рис. 1.18 а) и неявнополюсный (рис. 1.18 б). Явнополюсный ротор, имеющий выступающие полюсы, применяют у машин с частотой вращения до 1000, 1500 об/мин. Неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра, применяют при скоростях 1500 и 3000 об/мин.

1.17 Холостой ход синхронного генератора

Рис. 1.19

При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута и магнитное поле машины создается только обмоткой возбуждения ротора (рис. 1.19). Форма наконечников полюсов ротора выполняется такой, чтобы распределение магнитной индукции в воздушном зазоре было близким к синусоидальному. Если выполнить распределенную обмотку статора с укороченным шагом и соединенной ее в звезду, наведенная в каждой фазной обмотке ЭДС будет изменяться по синусоидальному закону. Ее действующее значение

, (1.49)

где - обмоточный коэффициент; - число витков одной фазы обмотки статора;

-

частота синусоидальных ЭДС; - число пар полюсов; - максимальный магнитный поток полюса ротора; - синхронная частота вращения. Согласно (1.49) ЭДС статора при неизменной частоте пропорциональна потоку. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать магнитный поток и ЭДС генератора.

Рис. 1.20

Зависимость при называется характеристикой холостого хода (рис. 1.20). Она применяется при расчете других характеристик и анализе режимов работы синхронных генераторов и двигателей.

1.18 Реакция якоря синхронной машины

В машине, работающей под нагрузкой, магнитное поле создается в отличие от холостого хода не только в роторе, но и МДС токов статора. Эти МДС, вращаясь с одной и той же синхронной частотой, взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Воздействие МДС статора на магнитное поле машины называется реакцией якоря.

Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с явновыраженными полюсами. На рис. 1.21 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка (А - Х, В - Y, С - Z), северный полюс ротора обозначен буквой N, южный - буквой S, магнитные линии этого поля не показаны.

Рис. 1.21

Рис. 1.21 а поясняет реакцию якоря при активной нагрузке, когда угол сдвига по фазе между ЭДС и током равен нулю. В этом положении ЭДС и ток фазы А максимальны, а в фазах В и С равны половине от максимальных значений и противоположны по знаку (направление токов в верхней половине обмотки статора показано крестиками, в нижней - точками). Этим направлениям токов соответствует магнитное поле реакции якоря, основные линии которого направлены поперек оси полюсов ротора. Они размагничивают набегающий край полюса и намагничивают сбегающий. При этом результирующий магнитный поток генератора

поворачивается относительно потока ротора на некоторый угол в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Следовательно, при активной нагрузке (= 0) реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Рис. 1.21 б соответствует фазовому сдвигу = 90°. В этом случае максимум тока в фазе А наступает в момент, когда ротор повернется на 90° по часовой стрелке. Ориентация потока реакция якоря осталась такой же, как на рис. 1.21 а, но теперь этот поток направлен навстречу потоку ротора по его продольной оси, т.е. при отстающем токе и = 90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения размагничивающей.

Рис. 1.21 в соответствует опережающему току относительно ЭДС на угол = -90°. В этом случае максимум тока в фазе А наступает по сравнению с рис. 1.21 а на четверть периода раньше, когда ротор занимает положение, повернутое на 90° против вращения, т.е. при опережающем токе и -90° реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения намагничивающей.

В общем случае, когда 0 и 90°, ток можно разложить на составляющие:

по продольной оси ; (1.50)

по поперечной оси . (1.51)

Продольная составляющая тока якоря создает продольную реакцию якоря, а поперечная - поперечную реакцию якоря. Угол считается положительным, когда ток отстает от ЭДС .

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре имеет противоположное направление по сравнению с режимом генератора. Поэтому при = 0 ось результирующего потока оказывается повернутой относительно потока ротора на угол по направлению вращения ротора. При реакция якоря является продольной и намагничивающей, а при - продольной и размагничивающей.

Сравнение реакции якоря явнополюсных и неявнополюсных машин показывает, что принципиально они отличаются тем, что у неявнополюсных машин воздушный зазор почти одинаковый вдоль продольной и поперечной осей ротора. Поэтому и потоки реакции якоря по осям при одинаковых токах статора практически равны. У явнополюсных машин воздушный зазор вдоль поперечной оси во много раз больше, чем вдоль продольной оси. Поэтому при равных составляющих МДС якоря вдоль продольной и поперечной осей магнитный поток реакции якоря вдоль поперечной оси значительно меньше и составляет, примерно, 60 % от потока вдоль продольной оси.

1.19 Индуктивное сопротивление синхронной машины

Результирующий магнитный поток машины условно можно разделить на три составляющие: основной магнитный поток , поток рассеяния и поток реакции якоря . Основной магнитный поток наводит в обмотке статора ЭДС . Эта ЭДС представлена характеристикой холостого хода (рис. 1.20). Потоки и создаются током статора и пропорциональны ему. В обмотке статора эти потоки наводят ЭДС самоиндукции

,

где - индуктивность рассеяния и индуктивность реакции якоря.

В расчетах ЭДС и учитываются как падения напряжений на индуктивном сопротивлении рассеяния

и на индуктивном сопротивлении реакции якоря

.

Сумму сопротивлений

называют синхронным индуктивным сопротивлением. Такое определение соответствует неявнополюсным машинам. Для явнополюсных машин этот параметр разделяют по осям и различают индексами - продольное синхронное индуктивное сопротивление , поперечное синхронное индуктивное сопротивление , причем

.

Синхронное индуктивное сопротивление в сотни раз больше активного сопротивления обмотки статора. В дальнейшем будем считать R = 0 и использовать параметр .

1.20 Схема замещения и упрощенная векторная диаграмма ЭДС и МДС синхронного генератора

Схема замещения синхронного генератора с учетом принятых допущений представлена на рис. 1.22 в виде источника ЭДС с внутренним сопротивлением . Сопротивление нагрузки

.

Рис. 1.22

Уравнение цепи по второму закону Кирхгофа

.

Отсюда напряжение

. (1.52)

. (1.53)

Уравнениям (1.52) и (1.53) соответствует векторная

диаграмма ЭДС на рис. 1.23.

Рис. 1.23

Ток статора отстает от ЭДС на угол , определяемый соотношением индуктивных и активных сопротивлений

.

Сдвиг вектора тока по отношению к вектору напряжения определяется параметрами нагрузки

.

Взаимосвязь векторов и осуществляется через вектор падения напряжения , который строится под углом 90° к вектору . На этом же рисунке построена векторная диаграмма МДС. Вектор МДС ротора опережает вектор на 90°, вектор МДС якоря , приведенный к ротору, совпадает по фазе с током , а результирующая МДС опережает вектор напряжения на 90°.

Из диаграмм МДС и ЭДС следует, что режим работы синхронного генератора характеризуется углом между вектором напряжения и ЭДС и равным ему углом между результирующим магнитным потоком и потоком ротора . Это означает, что у генератора полюсы ротора вращаются впереди полюсов поля статора с опережением на угол .

1.21 Характеристики синхронного генератора при автономной работе

Характеристика холостого хода была рассмотрена в параграфе 1.17.

Характеристика короткого замыкания представляет собой зависимость

при U = 0 и .

При допущении R = 0 из (1.52) следует, что ток короткого замыкания является чисто индуктивным и по модулю равен

. (1.54)

При коротком замыкании реакция якоря является размагничивающий, результирующий магнитный поток мал, магнитная цепь ненасыщена и характеристика короткого замыкания прямолинейна (рис. 1.24).

Следует отметить, что в (1.54) и числитель и знаменатель пропорциональны частоте вращения и поэтому характеристики короткого замыкания не зависят от частоты вращения, за исключением малых скоростей, когда оказывает влияние активное сопротивление обмотки статора.

Внешняя характеристика. Это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки

при , .

Если принять начальное напряжение

,

то вид внешних характеристик будет соответствовать рис. 1.25. При активно-индуктивной нагрузке (< 1) поток реакции якоря размагничивает машину и напряжение уменьшается с увеличением тока нагрузки по кривой 1. При активной нагрузке (= 1,0) поперечная реакция якоря также вызывает уменьшение напряжения (кривая 2). При активно-емкостной нагрузке продольная намагничивающая реакция увеличивает ЭДС , следовательно, и напряжение (кривая 3).

Рис. 1.24

Рис. 1.25

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость

при ,, .

Вид семейства регулировочных характеристик показан на рис. 1.26, а их физический смысл объясняется действием реакции якоря при различном характере нагрузки. Обычно номинальным режимом работы генератора является = 0,8 (при индуктивной нагрузке). В этом случае для поддержания



при переходе от холостого хода

к номинальной нагрузке

необходимо увеличить ток возбуждения в 1,7...2,2 раза.

1.22 Параллельная работа синхронного генератора с сетью

Рис. 1.26

Электрическая система большой мощности по отношению к генератору может быть представлена источником с неизменным напряжением. Режим работы генератора можно проанализировать с помощью векторной диаграммы (рис. 1.23).

Мощность генератора

.

Путем преобразований можно доказать, что мощность синхронного генератора

.

Электромагнитный момент

,

где или . (1.55)

Так как ,

то мощность и электромагнитный момент генератора при постоянном токе возбуждения зависят только от угла . Эта зависимость синусоидальна и называется угловой характеристикой синхронного генератора (рис. 1.27). При увеличении момента на валу первичного двигателя генератор отдает в сеть большую мощность. Предельным значением является момент и мощность при = 90°, после чего генератор выпадает из синхронизма.



Рис. 1.27

Максимальные мощность и момент

; .

Следовательно, регулировать активную мощность генератора можно за счет первичного двигателя. Регулирование реактивной мощности генератора осуществляется изменением тока возбуждения.

На рис. 1.28 показаны зависимости тока статора от тока возбуждения, называемые U-образными характеристиками. Минимум тока статора соответствует активной нагрузке (= 1,0). Перевозбуждение генератора означает генерирование реактивной мощности, невозбуждение - емкостный режим нагрузки.



Рис. 1.28

Включение синхронного генератора на параллельную работу является ответственной операций и требует соблюдения следующих условий:

- напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети;

- частота генератора должна быть равной частоте сети;

- чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

- напряжения генератора и сети должны быть в фазе.

Для соблюдения этих условий применяют различные схемы синхронизации.

1.23 Работа синхронной машины в режиме синхронного двигателя

В отличие от синхронного генератора в синхронном двигателе ось полюсов ротора отстает от оси полюсов вращающегося магнитного поля статора на угол и электромагнитный момент определяется по уравнению (1.55). Уравнения электрического баланса аналогичны режиму генератора. Поэтому генератор и двигатель характеризуются общими закономерностями.

Активная мощность синхронного двигателя зависит от тормозного момента на валу. При этом ЭДС отстает от напряжения на угол . Предельным моментом является наибольший электромагнитный момент, за которым синхронный режим нарушается.

Реактивная мощность синхронного двигателя регулируется изменением тока возбуждения. При недовозбуждении реактивная мощность имеет индуктивный характер, при перевозбуждении - емкостный.

1.24 Синхронные автотракторные генераторы

В настоящее время широко применяют трехфазные синхронные генераторы для электропитания бортовых приборов мобильных машин. Имеются несколько модификаций их исполнения.

1.24.1 Вентильные генераторы с клювообразным ротором

Вентильный генератор (рис. 1.29) представляет собой синхронную машину, имеющую ротор клювообразного типа, обмотку возбуждения, статор с малым числом пазов на фазу и станину. Принципиальная схема генератора с трехфазной мостовой схемой выпрямителя приведена на рис. 1.30.

Рис. 1.29



Рис. 1.30

1.24.2 Вентильные генераторы индукторного типа

Вентильные генераторы индукторного типа являются бесконтактными. Принцип действия показан на рис. 1.31 и 1.32. При вращении ротора положение его зубцов по отношению к зубцам статора изменяется и магнитный поток периодически изменяется от максимального до минимального значения. В витках катушки статора индуктируется переменная ЭДС с частотой, пропорциональной частоте ротора

,

где

- амплитудное значение ЭДС, - число витков в катушке и - число последовательно включенных катушек.

Действующее значение ЭДС фазы

,



Рис. 1.31

Рис. 1.32

где - число зубцов ротора.

Индукторные генераторы разделяют на аксиально-возбуждаемые (катушки возбуждения расположены вдоль оси машины) и радиально-возбуждаемые (катушки возбуждения расположены вдоль радиусов машины). В любом исполнении в синхронном индукторном генераторе обмотки якоря и возбуждения расположены неподвижно, т.е. не требуется подвижных контактов.

1.24.3 Автотракторные генераторы переменного тока с постоянными магнитами

Генераторы переменного тока с постоянными магнитами представляют собой синхронные бесконтактные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов. Они надежны в работе, обладают высоким КПД, малой инерционностью, имеют малые помехи радиоприему. К недостаткам этих генераторов относятся высокая стоимость, масса и габаритные размеры, большой разброс характеристик, нестабильность выходных параметров, трудность регулирования напряжения при изменении частоты вращения ротора и нагрузки.

Автомобили и тракторы имеют различные приборы, которые работают независимо один от другого. Для ограничения влияния изменения сопротивления нагрузки на напряжение генератора его электрические и магнитные цепи выполняют независимыми (рис. 1.33).

Рис. 1.33

асинхронный двигатель магнитный статор

Генератор, схема которого приведена на рис. 1.33 а, исключает взаимное влияние цепей и по существу соответствует трем генераторам с общим ротором. Разделение магнитных цепей неэффективено с точки зрения использования магнитопровода генератора. Поэтому в реальных машинах разделяют только электрические цепи (рис. 1.33 б).

Размещено на Allbest.ru

...