Номинальная мощность асинхронного двигателя. Способ определения номинальной частоты вращения ротора электростатического гироскопа. Факультет инженерно – строительный

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО – СТРОИТЕЛЬНЫЙ

КАФЕДРА «УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

по дисциплине

Электромеханические системы

РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Вариант 13

Выполнил: ст. гр. УИТ – 53

Устройство асинхронной машины

По мере того как двигатель разгоняется, ток уменьшается, а крутящий момент увеличивается до момента его обрыва до падения до номинальных скоростей. Двигатели с почти одинаковыми характеристиками скорости часто имеют значительные отличия в пусковых возможностях.

При максимальном напряжении, токе и крутящем моменте двигатель определяет пределы, с которых можно начинать пуск с уменьшением натяжения. Когда используется стартер с пониженным напряжением, стартовый крутящий момент двигателя будет уменьшен в соответствии со следующей формулой.

Колотилин И.С.

Мефёдова Ю. А.

Задача 1. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым рото­ром типа АИР 180 М2, используемый в качестве электропривода насосного агрегата консольного типа марки ВК 10/45, предназ­наченного для перекачивания воды для технических нужд, него­рючих и нетоксичных жидкостей, имеет следующие номиналь­ные данные: мощность на валу Р 2н = 30 кВт; скольжение S н = 0,025 (2,5%); синхронная частота вращения n 1н =3000 об/мин; коэффициент полезного действия η н = 0,905 (90,5%); коэффициент мощности обмотки статора cos φ н =0,88. Известны также: отношение пускового момента к номинальному М п / М н =1,7; отношение пускового тока к номинальному I п /I н =7,5; отношение максимального (критического) вращающего момента к номинальному М max /M н =2,7. Питание двигателя осуществляется от промышленной сети пе­ременного тока 380/220 В, 50 Гц. Требуется определить:

Кафедра «управление и информатика в технических системах

Пусковой ток можно уменьшить только до момента, когда пусковой момент еще выше, чем требуемый нагрузкой. Наиболее распространенные стартеры стресса. Наиболее значительные ограничения. Отсутствует контроль уровня тока или уменьшения крутящего момента. Это увеличивает механическое и электрическое напряжение и может привести к повреждению. Изменения происходят из-за того, что двигатель находится в движении, и когда питание выключено, двигатель действует как генератор с выходным напряжением, которое может иметь ту же амплитуду, что и сетка.

    номинальную частоту вращения ротора двигателя;

    вращающий номинальный, критический и пусковой момен­ты двигателя;

    мощность, потребляемую двигателем из сети Р 1н;

    номинальный и пусковой токи;

5)пусковой ток и вращающие моменты, если напряжение в сети снизилось по отношению к номинальному на 5, 10 и 15% (U c = 0,95∙U н; U c = =0,9∙U н; U c = 0,85∙U н).

Это напряжение все еще присутствует при подключении дельта-двигателя. Ограничения этого стартера. Изменения крутящего момента за счет перехода от одного натяжения к другому. Ограниченное количество шагов выходного напряжения ограничивает возможности выбора идеального пускового тока.

Модели, подходящие для частых или долгосрочных условий запуска, являются дорогостоящими. Они не могут сравниться с эффективным снижением напряжения с нагрузками, в которых исходные потребности могут различаться. Однако у них есть ряд характеристик, которые снижают их эффективность.

1. Номинальная частота вращения:

n 2н = n 1н ∙(1 – S н ) = 3000∙(1 - 0,025) = 2925 об/мин.

2. Номинальный вращающий момент на валу:

3. Пусковой вращающий момент двигателя:

М п = 1,7∙М н = 1,7∙97,95 = 166,5 Н∙м.

4. Максимальный вращающий момент:

М m ах = 2,7∙М н = 2,7∙97,95 = 264,5 Н∙м.

5. Номинальную мощность Р 1н, потребляемую двигателем из сети, определим из выражения:

Сложность в оптимизации производительности запуска при обслуживании, поскольку значение сопротивления должно рассчитываться при запуске, и его трудно изменить впоследствии. Низкая производительность при частом запуске, потому что значение резисторов изменяется, когда в них генерируется тепло во время запуска. Это требует длительных периодов охлаждения между пусками.

Общие сведения об асинхронных машинах

Низкая производительность при старте с большими нагрузками или при длительных пусках из-за температуры в резисторах. Он не выполняет эффективный стартер снижения напряжения, когда речь заходит о нагрузках, в которых требуется запуск. Устройства плавного пуска - самые продвинутые стартеры. Они обеспечивают превосходное управление током и крутящим моментом и включают усовершенствованные элементы защиты двигателя. Некоторые типы: регуляторы крутящего момента, контроллеры пар 1, 2 и 3 фазы, контроллеры с открытым контуром или замкнутым контуром и контроллеры тока с замкнутым контуром.

η н= Р 2н /Р 1н Р 1н = Р 2н / η н = 30/0,905 = 33,15 кВт;

при этом номинальный ток, потребляемый двигателем из сети, может быть определен из соотношения:

а пусковой ток при этом будет:

I n = 7,5∙I 1н = 7,5∙57 = 427,5 А.

6. Определяем вращающий момент при снижении напряжения в сети:

− на 5%. При этом на двигатель будет подано 95% U H , или U = 0,95∙U н . Так как известно, что вращающий момент на валу двигателя пропорционален квадрату напряжения М ≡U 2 , то он составит (0,95) 2 = 0,9 от номинального. Следовательно, пусковой вращающий момент будет:

Основными преимуществами плавного пуска являются. Простое и гибкое управление током и пусковым моментом. Равномерное управление течением и натяжение без прыжков или переходов. Подходит для частых запусков. Подходит для простого изменения условий запуска.

Регулятор мягкой остановки, который увеличивает время торможения двигателя. Управление торможением, которое уменьшает время торможения двигателя. Среди различных методов, предложенных стандартом, были выбраны в основном методы, которые стандарт квалифицирует как предпочтительные. В каждом из изученных методов анализируются различные тесты, которые требуются для его реализации, и процесс расчета для определения производительности. Испытания проводились на асинхронных электродвигателях 0, 75 кВт и 1, 5 кВт, применяя различные методы стандартного исследования для определения характеристик, представляя некоторые из полученных результатов.

М 5% = 0,90∙М п = 0,9∙166,5 = 149,9 Н∙м;

− на 10%. При этом U =0,9∙U н ;

M 10 % = 0,81∙М п = 0,81∙166,5 = 134,9 Н∙м;

− на 15%. В данном случае U= 0,85∙U н;

М 15% = 0,72∙166,5 = 119,9 Н∙м.

Отметим, что работа на сниженном на 15% напряжении сети допускается, например, у башенных кранов только для завершения рабочих операций и приведения рабочих органов в безопас­ное положение.

Важность производительности в электродвигателях. Электродвигатели в промышленности и в третичном секторе потребляют значительную часть электроэнергии в мире. Они отвечают за преобразование электрической энергии в механическую энергию, а небольшие улучшения в их эффективности могут обеспечить значительную экономию энергии.

Для такой же мощности могут быть различия в эффективности от 3% до 8% от одного двигателя к другому. Правильно выбирайте мощность двигателя в соответствии с требованиями нагрузки, подходящую для работы от 75% до 100% полная загрузка. При необходимости используйте привод скорости, чтобы настроить скорость и крутящий момент на требования нагрузки. Особенно интересно использовать его для экономии энергии в случае насосов и вентиляторов. Правильно планируйте операции по техническому обслуживанию и ремонту. Адекватное техническое обслуживание помогает минимизировать потери на трение и тепло, а также увеличивает срок службы двигателя.

  • Используйте высокопроизводительные двигатели.
  • При нагрузке менее 75% производительность двигателя значительно снижается.
В Европейском сообществе были установлены различные категории двигателей, основанные на их характеристиках.

7. Находим, как влияет аналогичное снижение напряжения на пусковой ток двигателя I п:

− на 5%. Учитывая, что пусковой ток можно приближенно считать пропорциональным первой степени напряжения сети, получим:

I п5 % ≈0,95∙I п = 0,95∙427,5 = 406,1 А;

I п10 % ≈0,9∙I п = 0,9∙427,5 = 384,8 А;

I п15 % ≈0,85∙I п = 0,85∙427,5 = 363,4 А.

Балаковский институт техники, технологии и управления

Различные уровни и категории, касающиеся эффективности асинхронных двигателей, не согласованы. Таким образом, в зависимости от страны мы находим разные категории, что порождает путаницу и увеличивает рыночные барьеры для производителей, в дополнение к проблемам адаптации. Область применения влияет на трехфазные асинхронные двигатели мощностью до 000 В с мощностью от 0, 75 кВт до 370 кВт с 2, 4 и 6 полюсами.

Потери и производительность в асинхронном двигателе. Можно сказать, что производительность электродвигателя является мерой мощности двигателя для преобразования электрической энергии в механическую энергию. В процессе преобразования теряются потери, поэтому определяется производительность двигателя.

Задача 2. Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым рото­ром типа АИР 13256 имеет следующие номиналь­ные данные: мощность на валу Р 2н = 5,5 кВт; скольжение S н = 0,04 (4%); синхронная частота вращения n 1н =1000 об/мин; коэффициент полезного действия η н = 0,85 (85%); коэффициент мощности обмотки статора cos φ н = 0,8. Известны также: отношение пускового момента к номинальному М п / М н =2; отношение пускового тока к номинальному I п /I н =7; отношение максимального (критического) вращающего момента к номинальному М max /M н =2,2. Питание двигателя осуществляется от промышленной сети пе­ременного тока 380/220 В, 50 Гц.

Потери, возникающие в асинхронном двигателе, следующие. Электрические потери: они пропорциональны квадрату тока, который циркулирует через катушки и быстро увеличивается с нагрузкой двигателя. Они возникают как следствие электрического сопротивления обмоток статора и полос проводов ротора. Магнитные потери: они возникают в сердечниках сердечника статора и ротора из-за цикла гистерезиса и вихревых токов. Они зависят в основном от частоты и индукции, поэтому они практически не зависят от индекса нагрузки. Механические потери: они обусловлены трением между подшипниками и потерями по сопротивлению воздуха вращению вентилятора и других вращающихся элементов двигателя. Они зависят от скорости, поэтому в асинхронном двигателе, подаваемом из сетки, считаются практически постоянными. Дополнительные потери в нагрузке: Эти потери связаны с нагрузкой и, как правило, предполагается, что они меняются с квадратом выходного крутящего момента. Характер этих потерь очень сложный, в частности, влияет на конструкцию обмотки, соотношение между величиной воздушного зазора и отверстием канавок, зависимость между количеством пазов статора и ротора, индукцией в воздушном зазоре; условия поверхности ротора, тип поверхностного контакта между стержнями и ламинатами ротора. В качестве примера мы можем видеть распределение потерь, полученное в результате испытаний на асинхронном двигателе мощностью 1, 5 кВт, показанное на рисунке 2, распределение потерь в номинальной рабочей точке и на рисунке 3 - эволюция потери по отношению к полезной фракции мощности, разработанной двигателем.

Определить мощность, потребляемую двигателем из промыш­ленной сети переменного тока 220/380В, 50Гц, ток в цепи стато­ра при включении в сеть 220/380В и 220/127В, номинальные вращающий момент на валу двигателя.

1. Мощность, потребляемая трёхфазным двигателем из сети при номинальном режиме работы:

Р 1н = Р 2н /η н = 5,5/0,85 = 6,47кВт.

2. Ток, потребляемый обмоткой статора из сети при соединении обмотки:

Международные стандарты для определения эффективности. Значения производительности, предоставленные производителем, должны определяться в соответствии с действующими международными стандартами. Также нет гармонизации в этой области, где мы можем выделить следующие стандарты.

Это последнее издание европейского стандарта представляет собой большое сходство с американским стандартом, главным образом в форме определения дополнительных потерь в нагрузке и включения новых процедур для его определения 6, процедур, которые не включены в издание.

− звездой:

− треугольником:

3. Номинальный вращающий момент на валу двигателя.

Сначала найдём номинальную частоту вращения:

n 2н = n 1н ∙(1 – S н ) = 1000∙(1 - 0,04) = 960 об/мин.

4. Находим число пар полюсов р обмотки статора, имея в виду, что частота промышленной сети f = 50 Гц:


Факультет инженерно – строительный

Этот стандарт включает в себя несколько методов и процедур для определения производительности, указанных в таблице 1, в котором подчеркивается основная потребность в характеристиках оборудования в каждом методе. Из всех этих методов мы изучили следующее.

Прямой метод с измерением крутящего момента, обозначенный стандартом как предпочтительный по мощности менее 1 кВт. Сумма потерь с измерением крутящего момента, обозначаемая стандартом как предпочтительная по мощности от 1 кВт до 150 кВт. Сумма потерь без меры крутящего момента, с дополнительными потерями нагрузки. . При применении всех вышеперечисленных методов стандарт определяет следующие требования в отношении точности мер.

Задача 3. Для привода промышленной вентиляционной установки используется трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типоразмера АИР 13256. Используя его технические данные, приведенные в задаче 2 , построить для него механичес­кую характеристику в виде зависимости n 2 = f(М).

    Из выражения:


Принцип работы асинхронной машины

Точность измерения сопротивления: 0, 2%. измерение скорости: 0, 1% или 1 об / мин.

Во всех тестах, где необходимо измерить сопротивление статора, действуйте следующим образом. Измерьте сопротивление между соединительными выводами двигателя и, в зависимости от соединения, фазовое сопротивление будет.

Чтобы определить рабочую температуру, на которую следует направлять сопротивление, необходимо использовать один из следующих способов.

  • Температура, определенная при испытании на сопротивление полной нагрузке. 4.
  • Температура, измеренная непосредственно зондом или термопарой.
  • Температура определяется в тесте на полную нагрузку в идентичной машине.
  • Предполагая температуру в соответствии с классом изоляции.
Прямой метод с измерением крутящего момента.

где n 2н - частота вращения ротора двигателя при номинальной нагрузке;

n 1 - синхронная частота вращения магнитного поля статора (в этом случае n 1 = 1000 об/мин);

S н - скольжение при номинальной нагрузке (S H = 0,04)

Оп­ределяется величина частоты вращения ротора двигателя в номи­нальном режиме:

n 2н = 1000∙(1 - 0,04) = 960 об/мин.

С помощью теста нагрузки должны быть измерены.

  • Потребляемая мощность.
  • Выходной крутящий момент и скорость.
Полезная мощность и производительность вычисляются напрямую. Примечание: При необходимости измерение крутящего момента должно быть скорректировано с помощью динамометра, как указано в приложении А стандарта.

Сумма потерь с мерой пары.

Сумма потерь без меры пары. Этот метод подходит, когда мы можем выполнить испытание на нагрузку, но у нас нет измерителя крутящего момента. Потери Джоуля в железе и механизме рассчитываются, как и в предыдущем случае. Дополнительные потери при полной нагрузке определяются в процентах относительно поглощенной мощности в соответствии с отношениями, указанными в таблице 2, где.

2. По значениям S н и

,находим критическое скольжение:

3. Находим номинальный М ном и максимальный (критичес­кий) М m ах моменты:

4. Для построения механической характеристики воспользу­емся формулами:



,

где S - текущее значение скольжения.

Задаваясь значениями S от 1 до 0, с требуемым шагом (напри­мер так, как показано в таблице 3) вычисляем величины n и М , им соответствующие. Результаты заносим в эту таблицу и по ним строим механическую характеристику n 2 = f(М).

На ней отметим (*)А, соответствующую номинальному режи­му работы.

Таблица 1 - Результаты расчета механической характеристики электродвигателя

n, об/мин

M, Н·м

Рисунок 1 - Механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя п 2 = f (M ) .

Реферат выполнил ст-т 6-ого куса, 12 гр., спец. 1801, Полукаров А.Н.

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра «Электромеханика и нетрадиционная энергетика»

Самара, 2006

1. Введение.

Общие сведения об асинхронных машинах.

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω2 является функцией угловой скорости ротора Ω, которая в свою очередь зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной 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 (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели 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 моментом. 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 конструкции 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 необходимости 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 значительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специальным устройством, которое позволяет после завершения пуска замкнуть 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 предназначаются для работы в определенных условиях с определенными техническими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

механическая мощность, развиваемая двигателем, Рн = P2н;

частота сети f1;

линейное напряжение статора U1лн

линейный ток статора I1лн;

частота вращения ротора nн;

коэффициент мощности cos φ1н;

коэффициент полезного действия ηн.

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 (Υ/Δ).

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 п1н = 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, потребляемой из сети,

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7-0,9; в микродвигателях 0,3-0,7.

Общие сведения о режимах работы асинхронного двигателя.

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

s = (пс - п)/пс,

где пс - 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; Е"2 - E1s,

где Е1- ЭДС обмотки статора; Е"2 - ЭДС обмотки ротора, приведенная к числу витков обмотки статора.

Рис. 2.1. Механическая характеристика асинхронной машины

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -∞...+∞ (рис. 2.1), но не при s = 0, так как в этом случае п - пс и проводники обмотки ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают несколько режимов 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 генераторном режиме ротор машины вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном - направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: п = пс(1 - s). В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг друга. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой трансформатор и отличается от него расположением первичной и вторичной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля статора и машина создает момент, противоположный моменту, действующему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количество - в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме - кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двигателя моменты, развиваемые двигателем при различных скольжениях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных единицах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: М* = M/Мном. Зависимость М* = f(s) асинхронного двигателя (рис. 2.2) имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому М*п, минимальному М*min, максимальному М*max и номинальному М*ном моментам.

Пусковой момент М*п характеризует начальный момент, развиваемый двигателем непосредственно при включении его в сеть при неподвижном 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 номинальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М*min .

Максимальный момент М*max характеризует перегрузочную способность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель останавливается. Поэтому М*max называют также критическим, а скольжение, при котором момент достигает максимума, - критическим скольжением sкp. Обычно sкр не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургических и т. п.) sкp может быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s < sкр характеристика М - f(s) имеет устойчивый характер. Она является рабочей частью механической характеристики двигателя. При скольжениях s > sкр двигатель в нормальных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхода на рабочую часть характеристики.

Рис. 2.2. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколько раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольжениях, 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 допустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

3. Аналитическое и графическое определение режимов работы асинхронной машины

Электромеханическое преобразование энергии может происходить в асинхронной машине в следующих трех режимах:

в режиме двигателя 0 < s < l, Ω1 > Ω > 0;

в режиме генератора s < 0, Ω > Ω1;

в режиме тормоза s > 1, Ω < 0.

Кроме того, важны еще два характерных режима работы, в которых электромеханическое преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0, Ω = Ω1) и режим короткого замыкания (s = 1, Ω = 0).

В режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного момента Μ > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в сторону поля со скоростью, меньшей, чем скорость поля (Ω1 > Ω > 0, 0 < s < 1). В этом режиме

Ρэм = ΜΩ1 =

> 0; Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 > 0.

Электрическая мощность Р1 = Рэм + Рм + Рэ1 > 0 преобразуется в механическую мощность Р2 = Рмех - Ρд - ΡΊ > 0, передаваемую через вал приводимой в движение машины.

Энергетические процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление активной составляющей тока ротора i2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС. Направление электромагнитного момента Μ определяется электромагнитной силой Bmi2a, действующей на ток i2a .

Полезная механическая мощность Р2 оказывается меньше потребляемой из сети мощности на потери ΣΡ:

Ρ2 = Ρ1-ΣΡ = Ρ1 -(Ρэ1 + Ρм+Ρэ2 + Ρд + Ρт),

И КПД двигателя выражается формулой:

= 1- = f(s)

В режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв > 0, направленного в сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со скоростью, превышающей скорость поля (Ω > Ω1, s < 0). В этом режиме в связи с изменением направления вращения поля (Ω^) относительно ротора активная составляющая тока ротора г"2а изменяет свое направление иа обратное (по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент Μ = Bmi2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается отрицательным (М < 0), мощности Рэ„ и Ртх также отрицательны:

Ρэм = ΜΩ1 =

< 0; Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 < 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 Рг, подведенная к валу машины, преобразуется в электрическую мощность Plt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:

Ρмех = Ρэм - Ρэ2 < 0 при s < 0

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

|Ρмех| = | Ρэм | + Ρэ2



Рис. 3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в относительных единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos <р0 = 0,185; Хг = Х"2 = 0,125; Кг = 0,0375; R"s = 0,0425).

По той же причине потребляемая механическая мощность

P2 = P1 - ΣΡ < 0

по абсолютному значению на потери больше электрической мощности, отдаваемой в сеть:

|Ρ2| = | Ρ1 | + ΣΡ,

и КПД генератора

= 1-.

В режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв < 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины вращается в сторону, противоположную полю (Ω<0, s =

>1). В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля Ω.5 относительно ротора остается таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным (М > 0). Однако, поскольку Ω < 0, механическая мощность оказывается отрицательной:

Ρмех = ΜΩ = Ρэ2

< 0

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

Ρэм = ΜΩ1 =

> 0

Это означает, что она поступает из сети в машину.

Подведенные к ротору машины со стороны сети |Ρэм| и вала |Ρмех| мощности превращаются в электрические потери Рэ2 в сопротивлении ротора R"2 (рис. 3.2):

|Ρмех| + | Ρэм | = Ρэ2

+ Ρэ2 = Ρэ2 = m1 R"2(I "2)2 .

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

В режиме идеального холостого хода внешний вращающий момент Μв, момент трения Μт = Ρт/Ω и момент, связанный с добавочными потерями, Мд = Ρд/Ω равны нулю. Ротор вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Рмех = ΜΩ = 0).

В режиме идеального холостого хода внешний момент, приложенный к валу машины, равен нулю (Мв = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и вращающееся поле (Ω = Ω1), 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 режиму холостого хода трансформатора. В асинхронной 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 холостого хода намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от трансформатора система токов I0 в фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле. = -.

В режиме холостого хода R"мех = R"2

= ∞, ток R"2 = 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 Μ в, уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удерживается в неподвижном состоянии (Ω = 0, s =

= 1) и не совершает полезной механической работы (Рмех = Μ Ω = 0).

Направление тока i2a и электромагнитного момента Μ остается таким же, как в режиме двигателя, и Μ > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Рэм = ΜΩ1 > 0 - она поступает в ротор из статора и превращается в электрические потери (Рэм = = Рэ2). 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 = R"2

= 0 и сопротивление схемы замещения по рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z"2. Имея в виду, что |Z1 + Z"2| « |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным

Zк = Z1 + Z"2 = Rк + jXк (43-3)

Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д, то она будет работать как трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребляемую дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д. 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 Мв, приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента Мв, направленного против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не появится электромагнитный момент Μ = f(s), который уравновесит момент Мв. Машина переходит в режим двигателя s =

> 0. Наоборот, при воздействии внешнего момента Мв направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем скорость поля (Ω > Ω1), и машина переходит в режим генератора (s=<0).

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

Список литературы

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

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

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