Министерство Образования Российской Федерации

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра

«Электромеханика и нетрадиционная энергетика»

РЕФЕРАТ

Тема:

“РЕЖИМЫ РАБОТЫ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.”

Выполнил:

Ст-т 6-ого куса, 12 гр.,

спец. 1801,

Полукаров А.Н.

Проверил:

Булгаков В.В.

Самара

2006

1. ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АСИНХРОННЫХ МАШИНАХ.

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электричес-кая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоян-ной частотой щ₁, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота щ₂ является функцией угловой скорости ротора Щ, которая в свою очередь зависит от вращающего мо-мента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на ста-торе, питаемой от сети переменного тока, и с трехфаз-ной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (при-соединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации дви-гатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2--5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим момен-том. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5--7 раз превышающих поминальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от этих недостатков ценой усложнения кон-струкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необ-ходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за зна-чительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распро-странения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоеди-няются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприка-сающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить доба-вочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки поз-воляют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к уве-личению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облег-чает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специаль-ным устройством, которое позволяет после завершения пуска замк-нуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназнача-ются для работы в определенных условиях с определенными техни-ческими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указыва-ются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, Р_н = P_2н;

частота сети f₁;

линейное напряжение статора U_1лн

линейный ток статора I_1лн;

частота вращения ротора n_н;

коэффициент мощности cos ц_1н;

коэффициент полезного действия з_н.

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Х/Д).

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность -- от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения п_1н = 60 f₁/р при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах -- до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2--5% меньше синхронной; в микродвигателях -- на 5--20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65--0,95, в микродвигателях 0,2--0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потреб-ляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двига-телей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7--0,9; в микро-двигателях 0,3--0,7.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь-ко процентов. Поэтому частоту вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в относительных, вводя понятие скольжения:

s = (п_с - п)/п_с,

где п_с -- частота вращения поля (синхронная частота вращения); п -- частота вращения ротора.

Скольжение выражается либо в относительных единицах (s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в процентах (s - 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и ЭДС обмотки статора и от скольжения:

f₂ - f₁s; Е₂ - E₁s,

где Е₁-- ЭДС обмотки статора; Е₂ -- ЭДС обмотки ротора, приве-денная к числу витков обмотки статора.

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -?...+? (рис. 2.1),

Рис. 2.1. Механическая характеристи-ка

асинхронной машины

но не при s = 0, так как в этом случае п - п_с и проводники обмотки ротора неподвижны отно-сительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольже-ний различают несколько режи-мов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s < 0, двигательный при 0 < s < 1, трансформаторный при s = 1 и тормозной при s > 1. В ге-нераторном режиме ротор маши-ны вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном -- направления вращения поля статора и ро-тора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: п = п_с(1 - s). В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг дру-га. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой транс-форматор и отличается от него расположением первичной и вторич-ной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля ста-тора и машина создает момент, противоположный моменту, действу-ющему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количе-ство -- в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме -- кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двига-теля моменты, развиваемые двигателем при различных скольжени-ях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных едини-цах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: М* = M/М_ном. Зависимость М* = f(s) асинхронного двига-теля (рис. 2.2) имеет несколько характерных точек, соответствую-щих пусковому М*_п, минимальному М*_min, максимальному М*_max и но-минальному М*_ном моментам.

Пусковой момент М*_п характеризует начальный момент, развивае-мый двигателем непосредственно при включении его в сеть при непо-движном роторе (s - 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 2.2). Обычно М*_min на 10...15 % меньше М*_п. Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М*_min был больше М*_ном , так как они могут достигнуть но-минальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М*_min .

Максимальный момент М*_max характеризует перегрузочную спо-собность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*_max, двигатель останавливается. Поэтому М*_max называют также критиче-ским, а скольжение, при котором момент достигает максимума, -- критическим скольжением s_кp. Обычно s_кр не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургиче-ских и т. п.) s_кp может быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s < s_кр характеристика М - f(s) имеет устойчи-вый характер. Она является рабочей частью механической характе-ристики двигателя. При скольжениях s > s_кр двигатель в нормаль-ных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхо-да на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена

к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом

Рис. 2.2. Зависимость тока и момента

асинхронного двигателя от скольжения

короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколь-ко раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольже-ниях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению до-пустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ГРАФИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Электромеханическое преобразование энергии может происхо-дить в асинхронной машине в следующих трех режимах:

в режиме двигателя 0 < s < l, Щ₁ > Щ > 0;

в режиме генератора s < 0, Щ > Щ₁;

в режиме тормоза s > 1, Щ < 0.

Кроме того, важны еще два характерных режима работы, в ко-торых электромеханическое преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0, Щ = Щ₁) и режим корот-кого замыкания (s = 1, Щ = 0).

В режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного момента М > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в сторону поля со скоростью, мень-шей, чем скорость поля (Щ₁ > Щ > 0, 0 < s < 1). В этом режиме

С_эм = МЩ₁ = > 0; С_мех = МЩ = С_э2 > 0.

Электрическая мощность Р₁ = Р_эм + Р_м + Р_э1 > 0 преобра-зуется в механическую мощность Р₂ = Р_мех -- С_д -- С_є > 0, пере-даваемую через вал приводимой в движение машины.

Энергетические процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление активной составляющей тока ротора i_2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление электромагнитного момента М определяется электромагнитной силой B_mi_2a, действующей на ток i_2a .

Полезная механическая мощность Р₂ оказывается меньше по-требляемой из сети мощности на потери УС:

С₂ = С₁-УС = С₁ -(С_э1 + С_м+С_э2 + С_д + С_т),

И КПД двигателя выражается формулой:

з = = 1- = f(s)

В режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента М_в > 0, направленного в сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со скоростью, превышаю-щей скорость поля (Щ > Щ₁, s < 0). В этом режиме в связи с изме-нением направления вращения поля (Щ^) относительно ротора активная составляющая тока ротора г_2а изменяет свое направление иа обратное (по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент М = B_mi_2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается отрицательным (М < 0), мощности Р_э„ и Р_тх также отрицательны:

С_эм = МЩ₁ = < 0; С_мех = МЩ = С_э2 < 0.

Рис. 3.1. Режимы работы асинхронной машины.

а -- двигательный;

б -- генераторный;

в -- тормоза;

г -- трансформатора (или короткого замыкания).

Направление преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Р_г, подведенная к валу машины, преоб-разуется в электрическую мощность P_lt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

С_мех = С_эм - С_э2 < 0 при s < 0

по абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):

|С_мех| = | С_эм | + С_э2

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в отно-сительных единицах при 1/_х = 1; /₀ = 0,364; cos <р₀ = 0,185; Х_г = Х₂ = 0,125; К_г = 0,0375; R_s = 0,0425).

По той же причине потребляемая механическая мощность

P₂ = P₁ - УС < 0

по абсолютному значению на потери больше электрической мощнос-ти, отдаваемой в сеть:

|С₂| = | С₁ | + УС,

и КПД генератора

з = = 1-.

В режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента М_в < 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины вращается в сторону, противоположную полю (Щ<0, s = >1). В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля Щ.₅ относительно ротора остается таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным (М > 0). Однако, поскольку Щ < 0, механическая мощность оказывается отрицательной:

С_мех = МЩ = С_э2 < 0

Это означает, что она подводится к асинхронной машине. Электро-магнитная мощность в этом режиме положительна:

С_эм = МЩ₁ = > 0

Это означает, что она поступает из сети в машину.

Подведенные к ротору машины со стороны сети |С_эм| и вала |С_мех| мощности превращаются в электрические потери Р_э2 в сопро-тивлении ротора R₂ (рис. 3.2):

|С_мех| + | С_эм | = С_э2 + С_э2 = С_э2 = m₁ R₂(I ₂)² .

Асинхронная машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого подъемным краном груза. При этом мощность | С_мех | = | МЩ | поступает в ротор машины (см. рис. 3.1).

В режиме идеального холостого хода внешний вращающий мо-мент М_в, момент трения М_т = С_т/Щ и момент, связанный с добавоч-ными потерями, М_д = С_д/Щ равны нулю. Ротор вращается со ско-ростью поля (Щ = Щ₁, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Р_мех = МЩ = 0).

В режиме идеального холостого хода внешний момент, прило-женный к валу машины, равен нулю (М_в = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и вращающееся поле (Щ = Щ₁), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи в обмотке ротора не индуктируются (I₂=0), и электромагнитный момент, уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).

Режим холостого хода асинхронной машины аналогичен ре-жиму холостого хода трансформатора. В асинхрон-ной машине и в трансформаторе ток в этом режиме имеется только в первичной обмотке I₁ ? 0, а во вторичной -- отсутствует (I₂ = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме только первичным током, что позволяет называть ток хо-лостого хода намагничивающим током (I₁ = I₀). В отличие от транс-форматора система токов I₀ в фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле.

По аналогии с трансформатором уравнение напряжений необ-ходимо составить при холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной обмоткой:

,

где -- ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся магнитным полем с потоком Ф_га;

-- фазное напряжение первичной сети;

R₁, Х₁ -- активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).

В силу малости падений напряжений X₁I₀ и R₁I₀ напряжение почти полностью уравновешивается ЭДС т. е. = -.

В режиме холостого хода R_мех = R₂ = ?, ток R₂ = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z₁ + Z₀ (Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга).

В режиме короткого замыкания под действием внешнего момента М _в, уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удер-живается в неподвижном состоянии (Щ = 0, s = = 1) и не совершает полезной механической работы (Р_мех = М Щ = 0).

Направление тока i_2a и электромагнитного момента М остается таким же, как в режиме двигателя, и М > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Р_эм = МЩ₁ > 0 -- она поступает в ротор из статора и превращается в электрические потери (Р_эм = = Р_э2). В этом режиме асинхронная машина работает как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо пульсирующего поля в трансформаторе.

В режиме короткого замыкания R_мех = R₂ = 0 и сопро-тивление схемы замещения по рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z₁ + Z₀ и Z₁ + Z₂. Имея в виду, что |Z₁ + Z₂| « |Z₁ + Z₀|, можно отбросить ветвь Z₁ + Z₀ и считать сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным

Z_к = Z₁ + Z₂ = R_к + jX_к (43-3)

где

R_к= R₁+ R₂

Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему дополнительных сопротивлений R_2д + jХ_2д, то она будет работать как трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребля-емую дополнительными сопротивлениями R_2д + jХ_2д. Поэтому режим при s = 1 называется также режимом трансформатора.

Изменить режим работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U₁ = const и f₁ = const) можно только путем изменения внешнего момента М_в, приложенного к валу машины. При М_в = 0 ротор вращается со скоростью поля (Щ = Щ₁, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента М_в, направленного против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не появится электромагнитный момент М = f(s), который уравновесит момент М_в. Машина переходит в режим двигателя s = > 0. Наоборот, при воздействии внешнего момента М_в направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем скорость поля (Щ > Щ₁), и машина переходит в режим генератора (s=<0).

Наконец, к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент М_в таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в противоположную сторону (по отношению к полю).

4. ЛИТЕРАТУРА.

1. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., ил.

2. Вольдек А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л., «Энергия», 1974.

3. Проектирование электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк., 2002. - 757 с.: ил.