Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости скольжения S, числа оборотов ротора n₂, раз­виваемого момента М, потребляемого тока I₁, расходуемой мощности Р₁, коэффициента мощности соs j и к. п. д. η от полезной мощности Р₂ на валу машины. Эти характеристики снимаются три естественных условиях работы двигателя, т. е. двигатель нерегулируемый, частота f₁ и напряжение U₁ се­ти остаются постоянными, а изменяется только нагрузка на валу двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастет, причем при боль­ших нагрузках скольжение увеличивается несколько быст­рее, чем при малых.

При холостом ходе двигателя n₂=n₁ или S=0. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет S = 3-5%. Скорость вращения ротора

Так как при увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, то число оборотов будет уменьшаться. Однако из­менение скорости вращения при увеличении нагрузки от 0 до номи­нальной очень незначительно и не превышает 5%. Поэтому скоро­стная характеристика асинхронного двигателя является жесткой — она имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент, развиваемый двигателем М, уравновешен тормозным моментом на валу М₂ и моментом, идущим на преодоление механических потерь М₀, т. е.

где Р₂ — полезная мощность двигателя, W₂ — угловая скорость ротора.

При холостом ходе двигателя вращающий момент равен М₀; с увеличением нагрузки на валу этот момент также увеличивается, причем за счет некоторого уменьшения скорости ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу.

Сила тока I₁ потребляемого двигателем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холо­стом ходе соs j мал и ток имеет большую реактивную составляю­щую и очень малую активную составляющую. При малых нагруз­ках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, а потому изменение нагрузки, т. е. изменение активной составляющей тока, вызывает незначитель­ное изменение силы тока I₁ (определяющейся в основном реактивной составляющей). При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение силы тока I₁..

Потребляемая двигателем мощность Р₁ при графическом изоб­ражении имеет вид почти прямой линии, незначительно отклоняю­щейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с увеличением нагрузки.

Изменение коэффициента мощности при изменении нагрузки на валу двигателя происходит следующим образом. При холостом ходе соsj мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока ста­тора, обусловленная потерями мощности в машине, мала по срав­нению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнит­ный поток. При увеличении нагрузки на валу соsj возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—0,9) в результате увеличе­ния активной составляющей тока статора. При очень больших на­грузках происходит некоторое уменьшение соsj, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая к. п. д. т имеет такой же вид, как в любой машине или трансформаторе. При холостом ходе к. п. д. равен нулю. С увели­чением нагрузки на валу двигателя к. п. д. резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения к. п. д. достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки. Торможение противовключением Этот тормозной режим возникает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

На рис. 2.27 представлены механические характеристики асинхронного двигателя при торможении противовключении для прямого (1) и обратного (2) порядка чередования фаз.

Пусть двигатель с нагрузкой на валу работал в точке А. Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередования фаз, т.е. переключить две фазы. При этом рабочая точка перейдет в точку В (рис. 2.27). На участке ВС машина работает в режиме электромагнитного тормоза, развивая тормозной момент, под действием которого происходит быстрое снижение скорости до нуля. В точке С двигатель нужно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, т.к. тормозной момент действует на всем тормозном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая скорость вращения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших потерь мощности.

Билет 13

1. В общем случае при несимметричной нагрузке Z_ab ≠ Z_bc ≠ Z_ca. Обычно она возникает при питании от трехфазной сети однофазных приемников.

Векторная диаграмма для случая, когда в фазе ab имеется активная нагрузка, в фазе bc – активно-индуктивная, а в фазе ca – активно-емкостная приведена на рис. 3.16, топографическая диаграмма – на рис. 3.17.

Построение векторов линейных токов произведено в соответствии с выражениями

İ_A = İ_ab - İ_ca; İ_B = İ_bc - İ_ab; İ_C = İ_ca - İ_bc.

Таким образом, при несимметричной нагрузке симметрия фазных токов İ_ab, İ_bс, İ_ca нарушается, поэтому линейные токи İ_A, İ_B, İ_C можно определить только расчетом по вышеприведенным уравнениям (3.20) или найти графическим путем из векторных диаграмм (рис. 3.16, 3.17).

Сумма мгновенных значений токов равна нулю – доказывается с помощью временных диаграмм трехфазной системы токов (см. рис.)

В момент времени ω t = 0: iA = 0, iC > 0, iB < 0, причем iC = – iB в момент ω t = 2π/12 iB = – Im, iA = iC = 0,5 Im в момент ω t = 2π/6 iC = 0, iA = – iB и т.д. Во всех случаях сумма мгновенных значенийтоков равна нулю.

2. Характеристика холостого хода — это зависимость ЭДС якоря Е_я от тока возбуж­дения I_В, когда нагрузка отсутствует, а час­тота вращения якоря п постоянна:

Е_я = f(I_B) при I = 0, п = const,

где I — ток нагрузки (у генерато­ра независимого возбуждения ток нагрузки равен току якоря).

В режиме холостого хода Е_я = с_епФ₀, так как результирующий поток Ф равен основному потоку Ф₀. Учитывая, что п = const, получим Е_я = с'_еФ,

где с'_е = с_еп = const. (c_е – постоянная, зависит от машины, n – число витков)

Таким образом, ЭДС яко­ря линейно зависит от маг­нитного потока Ф₀, который создается током возбужде­ния I_в. Зависимость между потоком и током возбужде­ния определяется характери­стикой намагничивания. Сле­довательно, и зависимость Е_я = f(I_B) также имеет вид характеристики намагничи­вания (рис.). Если по­люсы генератора предварительно намагничены, то они сохраняют остаточную намагниченность, поэтому в ма­шине при токе I_в = 0 имеется незначительный магнит­ный поток Ф_ост, называемый остаточным магнитным потоком. По этой причине при токе I_в = 0 в обмотке вращающегося якоря индуцируется небольшая остаточ­ная ЭДС Е_ост, что несколько изменяет вид характеристи­ки в начале координат (штриховая линия на рис.). Номинальному значению ЭДС Е_яном = U_ном соответствует ток возбуждения I_в0.

По ХХХ определяют, как нужно изменять ток возбуждения чтобы получить необходимую ЭДС.

3. Устройство синхронных машин

На статоре 1 генератора размещается обмотка 2, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°. На рис. 3.1 каждая фаза обмотки статора условно показана состоящей из одного витка. Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z. Ротор 3 представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4, расположенной на роторе.

Статор синхронных машин имеет такое же устрой­ство, как и статор асинхронной машины. Трехфазную обмотку, размещенную в пазах сердечника статора, вы­полняют с таким же числом полюсов, как и ротор. В син­хронных машинах обмотку статора принято называть обмоткой якоря, а сердечник статора вместе с обмоткой — якорем. Однако статор синхронных машин име­ет и некоторые конструктивные особенности, обуслов­ленные необходимостью его интенсивного охлаждения, так как в крупных синхронных машинах мощность по­терь энергии, преобразующейся в тепловую, очень ве­лика. В крупных машинах в системах охлаждения в качестве хладагентов использу­ют водород, трансформаторное масло и дистиллирован­ ную воду. В машинах относительно небольшой мощности используют также и воздушное принудительное охлажд ение.

Ротор синхронных машин конструктивно выполняют либо явнополюсным (с явно выраженными полюсами), либо неявнополюсным (с неявно выраженными полюсами), поперечные сечения которых показаны на рис. 13.1. На роторе располагают обмотку возбуждения. Ее подключают к источнику постоянного напряжения, называемого возбудителем. Таким образом, ротор синхронной машины имеет свой магнитный поток, который определяет полярность его полюсов. В этом заключается принципиальное конструктивное отличие ротора синхрон ной машины от ротора асинхронной машины, поляр ность полюсов которого всегда определяется полярностью полюсов статора.

Неявнополюсный ротор, как правило, изготовляют как единое целое из стальной поковки, используя для этого особо прочную сталь, обладающую высокими магн итными и механическими свойствами. Обмотку возбуждения закладывают в пазы, выфрезерованные на наруж ной поверхности ротора, и она создает магнитное поле с двумя или четырьмя полюсами, если ее подключить к источнику постоянного напряжения. Такой ротор при­меняют в синхронных машинах при частотах вращения вала 3000 об/мин и 1500 об/мин (в турбогенераторах и синхронных двигателях). Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 13.2а.

Явнсполюсный ротор применяют в гидрогенерато­рах, синхронных двигателях и компенсаторах, в кото­рых частота вращения, как правило, не превышает 1000 об/мин. Внешний вид роторов таких машин пока­зан на рис. 13.2б, в. Сердечники полюсов изготовляют из листовой электротехнической стали. Число полюсов, которых размещают обмотку возбуждения, может быть достаточно большим, особенно в гидрогенераторах. Это связано с тем, что гидравлические турбины — тихоходные машины, и чтобы получить промышленную часто­ ту напряжения f = рп/60 = 50 Гц при малой частоте вращения п, необходимо иметь большое число пар по­люсов р. Так, например, гидрогенераторы, установлен­ные на Саяно-Шушенской ГЭС, имеют частоту враще­ния п = 142,8 об/мин и число пар полюсов р = 21. По этой причине наружный диаметр ротора мощных гидроге­нераторов может достигать 16 м при длине 1,75 м. С целью снижения механической нагрузки на вал в мощных гид­рогенераторах вал ротора располагают вертикально. Внеш­ний вид гидрогенератора с таким конструктивным ис­полнением показан на рис. 13.3.

Синхронные двигатели изготовляют, как правило, с горизонтальным расположением вала. При частоте вращения 3000 об/мин они имеют ротор с неявно выраженными полюсами, а при частоте вращения от 100 до 1000 об/мин — с явно выраженными полюсами. В ма­шинах небольшой мощности такое исполнение ротора иногда применяют и при частотах вращения 1500 об/мин. В явнополюсных двигателях в полюсные наконечники укладывают короткозамкнутую обмотку, называемую пусковой, аналогичную короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронных машинах (рис. 13.4). Она предназначена для осуществления асинхронного пуска синхронных дви­гателей и повышения устойчивости работы двигателя.

Синхронные компенсаторы выполняют только в явнополюсном исполнении с горизонтальным расположе­нием вала.