Механические характеристики асинхронного двигателя

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Петрозаводский  государственный университет

Кольский  филиал 
 
 
 
 
 
 
 

                                             Кафедра  «Высоковольтной                              электроэнергетики и электротехники» 
 

Дисциплина  “_Электромеханика_ ” 
 

                     Механические характеристики асинхронного двигателя (АД).

   Устройство асинхронной машины. 
 

Контрольная работа       

студента __2___ курса

(группа  АВЭЭ - /06/3,5 )

заочного  отделения 

Физико-энергетического  факультета

специальность:140201– «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника» 

          Ваховского Владимира Александровича 

преподаватель –

 проф., докт. техн. наук А.И. Ракаев 
 
 

    

Апатиты

2008 г

 
 
 

       Содержание:

1. Механические характеристики асинхронного двигателя (АД).

1. Введение.

2. Асинхронные машины.

3. Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя.

4. Линеаризация механической характеристики асинхронного двигателя.

5. Механические характеристики асинхронных двигателей  при симметричных      режимах

6.  Тормозные режимы асинхронных двигателей

7. Технические реализации. Применения

8. Устройство асинхронной машины.

9. Принцип действия Асинхронные машины.

10. Список литературы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Механические  характеристики асинхронного двигателя (АД).

1. Введение.

 Электроприводы  переменного тока широко применяются  в промышленности, транспорте, строительной индустрии и других отраслях народного  хозяйства. Их преимущественное распространение обусловлено: высокой надежностью машины переменного тока из-за отсутствия коллектора, простотой управления нерегулируемыми приводами, поскольку большинство из них непосредственно включается в сеть, низкой стоимостью электрических машин и простыми требованиями к их обслуживанию и правилами эксплуатации.

 В зависимости  от типа используемого двигателя  различают не только приводы переменного  и постоянного тока, но и асинхронные, синхронные, шаговые и другие разновидности приводов. Однако не следует думать, что приводы переменного тока везде и всюду могут применяться вместо приводов постоянного тока. Для каждого вида привода имеются сложившиеся области перспективного использования. Причем трудно однозначно и определенно перечислить наперед все факторы, которые определяют выбор рода тока для привода. Наряду с традиционными приводами, построенными на базе асинхронных и синхронных машин, в последние десятилетия применяют приводы переменного тока с универсальными и шаговыми двигателями, двигателями двойного питания и с электромагнитной редукцией скорости.

2. Асинхронные машины.

  Принцип действия асинхронной машины в самом  общем виде состоит в следующем: один из элементов машины - статор используется для создания движущегося с определенной скоростью магнитного поля, а в замкнутых проводящих пассивных контурах другого элемента-ротора наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов и образование сил (моментов) при их взаимодействии с магнитным полем. Все эти явления имеют место при несинхронном-асинхронном движении ротора относительно поля, что и дало машинам такого типа название - асинхронные.

  Статор  обычно выполнен в виде нескольких расположенных в пазах катушек, а ротор в виде «беличьей клетки» (короткозамкнутый ротор) или в виде нескольких катушек (фазный ротор), которые соединены между собой, выведены на кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним щеток могут быть замкнуты на внешние резисторы или другие цепи.

  Несмотря  на простоту физических явлений и  материализующих их конструктивов, полное математическое описание процессов в асинхронной машине весьма сложно:

  во-первых, все напряжения, токи, потокосцепления -переменные, т.е. характеризуются частотой, амплитудой, фазой или соответствующими векторными величинами;

  во-вторых, взаимодействуют движущиеся контуры, взаимное расположение которых изменяется в пространстве;

  в-третьих, магнитный поток нелинейно связан с намагничивающим током (проявляется  насыщение магнитной цепи), активные сопротивления роторной цепи зависят  от частоты (эффект вытеснения тока), сопротивления всех цепей зависят от температуры и т.п.

  Рассмотрим  самую простую модель асинхронной  машины, пригодную для объяснения основных явлений в асинхронном электроприводе.

  Механические  характеристики двигателя полностью определяют качество работы электромеханической системы в установившемся режиме и ее производительность. Они также влияют и на динамические режимы электропривода, характеризуя избыточный динамический момент, определяющий ускорение или замедление двигателя  

3. Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя

 В современной  практике проектирования используются программы, учитывающие при расчете  механических характеристик намагничивание магнитной системы машины Но при  этом теряется наглядность в их исследовании. Поэтому все дальнейшие зависимости будут найдены при выполнении этого основного допущения.

 Подведенная к двигателю из сети электрическая  мощность расходуется на покрытие потерь в контуре намагничивания p_μ, в меди статора p_M1, и остаток ее преобразуется в электромагнитную мощность. Таким образом,

    (4-11)

 откуда

  (4-12)

 В свою очередь,

  (4-13)

 где ω₀ = 2πf₁/p - число пар полюсов статора машины.

 После незначительных преобразований, найдем

  (4-14)

 Следовательно, зависимость M = f(s) является сложной функцией от скольжения. Исследуем ее на экстремум, взяв производную

  (4-15)

 Приравняв числитель выражения (4-15) нулю, найдем значение критического скольжения s_K, при котором зависимость М = f(s) имеет максимум:

  (4-16)

 Физически уменьшение М при s < s_K и s > s_K объясняется следующим. При s < s_K уменьшение скольжения сопряжено с уменьшением тока и момента двигателя, а при s > s_K, хотя и происходит увеличение тока двигателя, но его активная составляющая, обусловливающая электромагнитный момент, не растет, а уменьшается, что также приводит к уменьшению момента, развиваемого двигателем.

 Положительный знак s_K соответствует двигательному, а отрицательный - генераторному режиму работы машины.

 Следует иметь в виду, что, как у машины постоянного тока, относительная величина r₁ уменьшается при увеличении мощности машин и уже для двигателей мощностью 100 кВт составляет 10-15% величины x₁ + x₂'. Поэтому формулу (4-16) можно использовать в упрощенной форме, пренебрегая r₁

  (4-17)

 где x_К.З - индуктивное приведенное сопротивление короткого замыкания.

 Этого нельзя делать для машин средней  и особенно малой мощности, у которых  сопротивление r₁ соизмеримо с x_К.З.

 Используя формулы (4-14) и (4-16), можно получить иную запись механической характеристики асинхронного двигателя, если найти значения его критических моментов в двигательном М_К.Д и генераторном М_К.Г режимах работы:

    (4-18)

 

 Отношение критических моментов

  (4-19)

 Здесь принято часто используемое обозначение:

  (4-20)

 Формула (4-19) показывает, что значение критического момента машины в генераторном режиме может быть существенно больше, чем в двигательном режиме (см. рис. 4-8).

 Для практического использования удобнее  иное, чем в формуле (4-14), выражение  механической характеристики асинхронного двигателя. Найдем его, используя формулы (4-14), (4-17) и (4-20):

  (4-21)

 Если  пренебречь влиянием активного сопротивления  статора, то ε = 0, и формула (4-21) приобретает такой вид (при М_К.Д = М_К.Г = М_К):

  (4-22)

 Впервые выражение (4-22) получил М. Kloss [18], поэтому его называют формулой Клосса.

 Формулы (4-21) или (4-22) удобнее для расчетов, чем (4-14), поскольку они не требуют  знания параметров двигателя. В этом случае все расчеты производятся по данным каталога. Ввиду того, что  значение s_K в каталогах не указано, его приходится определять на основе других сведений, например, величины перегрузочной способности машины М_К/М_НОМ = λ_М. Тогда из формулы (4-21) получим:

  (4-23)

 откуда, решая квадратное уравнение, найдем

  (4-24)

 где γ = λ_М + (1 - λ_М)ε.

 В выражении (4-24) следует брать перед корнем знак плюс, поскольку другое значение s_K противоречит физическому смыслу.

Приближенное  решение уравнения (4-24) можно получить при коэффициенте ε = 0, но лучше определить его значение. Наиболее достоверные результаты будут получены, если, располагая параметрами машины, величину ε определять из формулы (4-20), a s_K - из выражения (4-16). Для асинхронных двигателей с фазным ротором выражения (4-14) и (4-21) дают более достоверные результаты, так как в этих машинах менее заметны влияния насыщения стали и вытеснения тока в обмотках ротора (скинэффект).

4.  Линеаризация механической характеристики асинхронного двигателя

 На  рабочем участке механической характеристики значение скольжения s много меньше критического s_K. Поэтому в уравнении (4-21) пренебрежем слагаемым ss_K^-1 и положим ε = 0. Тогда получим

  (4-25)

 где

 

 Таким образом, выражение (4-25) представляет собой  линеаризованную часть механической характеристики двигателя. Им можно  пользоваться при вариациях скольжения в пределах 0 < s < (1,2 - 1,5) s_НОМ.

 

 Рис. 4-5. Линеаризованные механические характеристики асинхронных двигателей 

 Для получения искусственных характеристик  достаточно записать два уравнения  прямых при одинаковых значениях  скольжения s_i (рис. 4-5):

 

 где индексами «и» и «е» отмечены искусственная и естественная характеристики, откуда легко найти

  (4-26)

 так как

  (4-27)

 По  формуле (4-26) можно построить начальные  участки любой механической характеристики. При этом скольжение не должно выходить за указанные пределы.

 Если  в цепь ротора введено суммарное  сопротивление R_{2 НОМ}, то при s = 1 в роторе будет протекать ток, соответствующий номинальному моменту М_НОМ. Тогда выражение (4-26) примет вид

  (4-28)

 Последнее выражение позволяет записать для  любой искусственной или естественной характеристики следующее соотношение:

  (4-29)

 где ρ_П - относительная величина полного сопротивления, включенного в роторную цепь машины ρ_П = ρ₂ + ρ_ДОБ; s - скольжение на соответствующей механической характеристике.

Следует иметь в виду, что при R₂ = R_{2 НОМ} номинальное значение скольжения s_{Н НОМ} =1 на данной искусственной характеристике.

5 Механические характеристики асинхронных двигателей  при симметричных режимах

 Характеристики  двигателя при  изменении напряжения питающей сети или  сопротивлений в цепи статора.

 Симметричными называют такие режимы работы асинхронных  двигателей (АД), при которых питающая сеть симметрична по значению и фазовому сдвигу напряжений, одинаковы активные или реактивные сопротивления, вводимые в электрические цепи всех фаз и симметричны их внутренние параметры (число витков в фазах, угловые сдвиги пазов и другие факторы).

 Прежде  всего рассмотрим изменения в  сети. Из соотношения (4-9) следует, что  ток I₂' пропорционален приложенному напряжению, а момент - [см. выражение (4-14)] его квадрату. Это позволяет построить механические характеристики двигателя при любых напряжениях (рис. 4-6). Очевидно формула (4-16) подтверждает постоянство критического скольжения s_K. Уже при снижении напряжения до 0,7U_НОМ критический момент составляет

 

 Рис. 4-6. Механические характеристики асинхронного двигателя при различных напряжениях питания.

всего 49% M_K номинального режима. Практически понижение напряжения оказывается еще большим при пуске двигателя из-за большого пускового тока. Все это приводит к тому, что при длинных линиях питания или для крупных машин при их мощностях, соизмеримых с мощностью трансформаторных подстанций, необходимо выполнить специальные расчеты, подтверждающие возможность нормального пуска АД и его работы с пониженным напряжением.

 По  тем же причинам установлен специальный  ГОСТ 13109-87 на качество электрической энергии, который предусматривает послеаварийное изменение напряжения в промышленной сети только в пределах ±10% номинального его значения.

 Особенно  опасно снижение напряжения для приводов, которые по условиям эксплуатации должны запускаться под нагрузкой (приводы транспортеров, грузоподъемных устройств, конверторов и многих других механизмов). Например, при пуске без нагрузки (вхолостую) статический момент транспортера не превышает (0,2-0,3)М_НОМ. Если же привод транспортера был отключен во время работы при полной нагрузке, то при повторном пуске с пониженным напряжением он должен будет преодолеть М_С ≈ М_НОМ.

 Для ограничения пусковых токов крупных  асинхронных машин или получения плавного пуска асинхронного привода применяют включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска (рис. 4-7). Особенностью таких схем является зависимость напряжения на зажимах двигателя от величины тока [2, 16].

 Включение активного сопротивления хотя и  несколько повышает коэффициент  мощности привода в пусковых режимах, но в то же время увеличивает потери энергии, по сравнению с «реакторным» пуском.

 

 Рис. 4-7. Механические характеристики асинхронного двигателя при номинальном и пониженном напряжении или активном (r_ДОБ) и реактивном (x_ДОБ) добавочных сопротивлениях в статоре.

 В последние  десятилетия для часто включаемых и отключаемых двигателей большой  мощности используют «частотный» пуск, что более экономично. Для этой цели устанавливается специальный преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя при пуске, т. е. величину ω₀. Одновременно с этим снижается напряжение, что ограничивает и пусковой ток.

 Характеристики  асинхронного двигателя  при включении активных сопротивлений в цепь ротора.

 Асинхронные двигатели с фазным ротором широко используются в приводах подъемно-транспортных и металлургических установок, мощные двигатели применяют в приводах вентиляторов, аэродинамических труб и насосов. Благодаря включению активных сопротивлений в цепь ротора, можно изменять критическое скольжение такого АД, вид его механической характеристики, пусковой ток и момент.

 Использование в приводах насосов и вентиляторов двигателей с фазным ротором позволяет  экономично регулировать их производительность, что приносит большой хозяйственный эффект. Напомним, что критический момент не зависит от активного сопротивления, введенного в роторную цепь, поэтому выбором r_ДОБ можно так изменять механические характеристики АД, что максимальный момент привод будет иметь при пуске (ω = 0), либо даже в режиме противовключения s_K > 1 (рис. 4-8).

 Увеличение r_ДОБ приводит к возрастанию активной составляющей тока ротора I_2a' = I₂'cosψ₂, так как

  (4-30)

 где R₂' = r₂' + r'_ДОБ - полное приведенное активное сопротивление вторичной цепи машины.

 По  этой же причине двигатели с фазным ротором, в отличие от короткозамкнутых, имеют большие пусковые моменты при меньших токах. Это свойство таких машин служит основным условием их преимущественного использования в приводах с тяжелыми режимами пуска (краны, металлургические установки, ротационные машины и другие энергоемкие механизмы). Следует иметь в виду, что чрезмерное увеличение r_ДОБ приводит к резкому уменьшению активной составляющей тока I₂'. Тогда пусковой момент двигателя М_П становится меньше статического момента при трогании М_ТР. В результате пуск привода будет невозможным.

 Искусственную механическую характеристику можно  рассчитать, используя формулу (4-14) или (4-18), (4-20), (4-24) и (4-27). Методику расчета искусственных характеристик АД с фазным ротором можно упростить, базируясь на следующих соотношениях. Запишем выражения для равных значений моментов М_i на естественной и любой искусственной характеристике на основании формулы (4-21):

     (4-31)

 Значение ε не зависит от величины активной составляющей сопротивления во вторичной цепи машины, поэтому оно остается неизменным для естественной и искусственной механических характеристик. Следовательно, из формулы (4-31) имеем

  (4-32)

 Заданными величинами можно считать: критические скольжения на искусственной и естественной характеристиках s_K.И и s_K.Е и скольжение на естественной характеристике s_ei. Тогда из выражения (4-32) получим

  (4-33)

 Таким образом, основой упрощенного расчета  служит естественная механическая характеристика двигателя. Как было указано ранее для машин с фазным ротором, она может быть получена приближенно по выражению (4-22) и более точно по (4-21). Часть параметров машин, необходимых для этих расчетов, указывается в каталогах или справочниках [16, 59], а часть - может быть определена по вышеприведенным формулам.

 

 

 Рис. 4-8. Механические характеристики двигателя  с фазным ротором

 6.  Тормозные режимы асинхронных двигателей

 Тормозные режимы для многих приводов с асинхронными машинами имеют более важное значение, чем режимы пуска в отношении предъявляемых к ним требований надежности и безотказности в осуществлении. Часто требуется точная остановка в заданном положении или торможение привода в течение определенного времени.

 Для асинхронных двигателей используют режимы: генераторного торможения с отдачей энергии в сеть; противовключения; динамического торможения с различными системами возбуждения статора постоянным (выпрямленным) током, когда машина работает генератором, рассеивая энергию во вторичной цепи; динамического конденсаторного или магнитного торможения с самовозбуждением. Поэтому тормозные режимы по способу возбуждения магнитного поля статора можно разделить на две группы: независимого возбуждения, осуществляемого от сети переменного или постоянного тока (рекуперативного, противовключения и динамического торможения) и с самовозбуждением, осуществляемым в результате обмена энергией с конденсаторной батареей или при замыкании статора двигателя накоротко, когда магнитный поток создается ЭДС самоиндукции. По определению Л.П. Петрова последний вид будем называть магнитным торможением.

 Все перечисленные режимы применяют  для машин как с фазным, так  и с короткозамкнутым ротором.

 В связи  с использованием мощных силовых  полупроводниковых приборов (тиристоров и транзисторов) появились новые схемы реализации типовых тормозных режимов асинхронных приводов.

 Повышение эффективности торможения можно  достичь применением комбинированных  способов его реализации. Следует  особо подчеркнуть, что большинство комбинированных торможений являются полностью управляемыми. Это еще более повышает их эффективность.

 Наиболее  эффективными являются противовключение и конденсаторно-динамическое торможение (КДТ). Последний способ имеет много схемных решений. Его рекомендуют использовать для приводов с большими приведенными моментами инерции, например превышающими двухкратный момент инерции двигателя.

 Для малоинерционных приводов можно  применять конденсаторно-магнитное  торможение (КМТ). Не менее эффективным  будет и магнитно-динамическое торможение (МДТ). Рациональны для отдельных приводов и другие комбинированные виды двух и даже трехступенчатого торможения: противовключения - динамического торможения (ПДТ), конденсаторного торможения и противовключения (КТП) и др.