Уравнения напряжений асинхронного двигателя. Напряжение асинхронного двигателя


4.3. Режимы работы асинхронного двигателя

4.3.1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя при работе в двигательном режиме

Работе в двигательном режиме соответствует скольжение s в пределах от 1 до 0, причем рабочим режимом является диапазон скоростей, при которых скольжение не превышает sк. В диапазоне скольжений от sк до 1 потери в роторе двигателя существенно возрастают, поэтому этот участок механической характеристики двигатель проходит только во время пуска. Проведем анализ распределения потоков электрической энергии при различных значениях скольжения асинхронного двигателя.

На рис.4.11 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

М

Рис.4.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

ощностьРпотр, забираемая двигателем, за исключением потерь в обмотках и железе статора преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля – в электромагнитную мощностьРэм. Поскольку асинхронный двигатель работает одновременно как двигатель и как трансформатор, то электромагнитная мощность разделяется на два канала. Одна часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность Рмех, создаваемую на валу асинхронного двигателя. Эта мощность возникает как результат взаимодействия вращающегося электромагнитного поля с активной составляющей тока ротора. Другая часть электромагнитной мощности трансформируется в виде электрической мощности в обмотку ротора, как по вторичную обмотку трансформатора.

Составим баланс мощностей

.

Электромагнитная мощность равна произведению скорости вращения поля статора на момент сил, которым обладает вращающееся магнитное поле и который развивается на валу асинхронного двигателя.

. (4.34)

Электромагнитная мощность разделяется на две составляющие:

(4.35)

механическую мощность

(4.36)

и электрическую мощность PS, трансформируемую в обмотки ротора, которая, как следует из (4.34) и (4.35), будет равна:

. (4.37)

Отсюда следует, что мощность, выделяемая в обмотках ротора РS, пропорциональна моменту на валу двигателя и его скольжению.

Эта мощность выделяется в виде потерь в обмотках ротора двигателя (для фазных двигателей во время пуска – в пусковых сопротивлениях).

При проектировании и использовании асинхронных двигателей стремятся уменьшить мощность скольжения, чтобы уменьшить потери электроэнергии, снизить нагрев двигателя и повысить его кпд. Асинхронные двигатели конструируются таким образом, чтобы номинальное скольжение составляло всего несколько процентов. Для экономичной эксплуатации асинхронных электроприводов важным условием является работа с минимальным скольжением. Это правило должно выдерживаться и для регулируемых асинхронных электроприводов. Исключения составляют каскадные схемы включения асинхронного двигателя с фазным ротором, которые рассмотрены в главе 11.

4.3.2. Изменение напряжения питания асинхронного двигателя

Величина потока асинхронного двигателя пропорциональна напряжению питания U1, величина э.д.с. ротора, а, следовательно, и ток ротора I2 также пропорциональны напряжению статора. Поэтому момент асинхронного двигателя, в том числе критический момент, пропорциональны квадрату напряжения U1 (см.4.21, 4.24). Это обстоятельство определяет недопустимость значительного снижения напряжения питания при пуске и работе асинхронного двигателя. Так, при снижении питающего напряжения на 30% его максимальный момент уменьшится примерно в два раза и при значительном статическом моменте двигатель может «опрокинуться», т.е. остановиться, и оказаться под пусковым током. Этот режим является для двигателя аварийным. Такая же ситуация может сложиться, если напряжение питания снижено при пуске двигателя под нагрузкой. Указанные случаи имеют место в слабых электрических сетях, что обуславливает большую аварийность асинхронных короткозамкнутых двигателей. Во избежание этого должны предусматриваться необходимые защитные средства, предотвращающие длительное нахождение асинхронного двигателя под пусковым током.

В то же время преднамеренное снижение (регулирование) напряжения, подаваемого на статорные обмотки, иногда используется для регулирования скорости асинхронного двигателя и для обеспечения плавности пуска.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения питающего напряжения сопряжено с возможностью перегрева его ротора и может производиться лишь при определенных условиях:

  • при малом диапазоне снижения скорости относительно номинальной;

  • при сниженном относительно номинального моменте сопротивления на валу двигателя;

  • использовании двигателя с повышенным скольжением.

Рассмотрим механические характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя с повышенным скольжением при регулировании напряжения статора (рис.4.12). При снижении напряжения U1 критическое скольжение двигателя и скорость идеального холостого хода остаются постоянными, а максимальный моментМк двигателя уменьшается примерно пропорционально квадрату снижения напряжения, соответственно снижается жесткость рабочей части механической характеристики двигателя. Регулирование скорости возможно в диапазоне.

2

Рис.4.12. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании напряжения питания

а) при постоянном моменте

б) при вентиляторном моменте нагрузки

Предположим, что момент сопротивления на валу двигателя остается постоянным и равным номинальному . При снижении напряжения до величиныU12 двигатель будет работать со скоростью, равной со скольжениемsр. Как следует из энергетической диаграммы асинхронного двигателя (4.36), мощность скольжения РS, выделяемая в виде потерь в роторе двигателя будет равна и пропорциональна заштрихованной площади прямоугольникаОавsр. Электромагнитная мощность пропорциональна площадиОаг1, полезная мощность на валу двигателя будет пропорциональна площадиsрв,г1.

Номинальная мощность скольжения, на рассеяние которой рассчитана конструкция двигателя, пропорциональна площади Оабsн. Сравним эту площадь с заштрихованной (Оавsр), которая отражает потери в роторе двигателя при работе в точке «в». Она в примерно в3 раза превосходит номинальные потери в роторе. Естественно, что при длительной работе в указанном режиме ротор двигателя будет перегреваться и двигатель выйдет из строя. Для того, чтобы можно было применить данный способ регулирования нужно установленную мощность двигателя завысить в 3 раза или применить специальную конструкцию интенсивного теплоотвода.

Поэтому регулирование скорости изменением напряжения питания возможно в том случае, если момент сопротивления МС при снижении скорости существенно меньше номинального. Такой способ регулирования применяется иногда для привода насосов и вентиляторов, у которых момент сопротивления на валу резко снижается при уменьшении скорости. Этот случай рассмотрен на рис.4.12б. Поскольку со снижением скорости МС уменьшается примерно в квадрате от величины снижения скорости, то мощность скольжения РS со снижением скорости существенно снижается. Если нагрузка на валу двигателя носит вентиляторный характер, то максимальная величина мощности скольжения составляет 15% от мощности на валу при номинальной скорости. Поэтому для привода вентиляторов и насосов достаточно увеличение установленной мощности двигателя с повышенным скольжением в 1,5-2 раза.

Снижение напряжения на статоре асинхронного двигателя иногда используется для уменьшения пусковых токов двигателя. Это возможно, если момент сопротивления на валу двигателя при пуске не превышает 0,3-0,4Мн (насосы, вентиляторы или другие рабочие машины, пуск которых производится вхолостую). В этом случае посредством тиристорного регулятора напряжения напряжение, подводимое к обмотке статора, снижается, а затем по мере разгона двигателя увеличивается до номинального значения. Этим обеспечивается «плавный пуск» двигателя с уменьшенными пусковыми токами и сниженными динамическими нагрузками на рабочую машину.

studfiles.net

Регулирование скорости асинхронного двигателя

Долгое время в промышленности использовались нерегулируемые электроприводы на базе АД, но, в последнее время возникла надобность в регулировании скорости асинхронных двигателей.

 

Частота вращения ротора равна

При этом, синхронная частота вращения зависит от частоты напряжения и числа пар полюсов

Исходя из этого, можно сделать вывод, что регулировать скорость АД можно с помощью изменения скольжения, частоты и числа пар полюсов.

Рассмотрим основные способы регулировки.

Регулирование скорости с помощью изменения активного сопротивления в цепи ротора

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором. При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление. С увеличением сопротивления, скольжение двигателя растёт, а скорость падает. Таким образом, обеспечивается регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Недостатком данного способа является его неэкономичность, так как при увеличении скольжения, потери в цепи ротора растут, следовательно, КПД двигателя падает. Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более пологой и мягкой, из-за чего небольшое изменение момента нагрузки на валу, вызывает большое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости данным способом не эффективно, но, несмотря на это применяется в двигателях с фазным ротором.

Регулирование скорости двигателя с помощью изменения напряжения питания

Данный способ регулирования можно осуществить, если включить в цепь автотрансформатор, перед статором, после питающих проводов. При этом, если снижать напряжение на выходе автотрансформатора, то двигатель будет работать на пониженном напряжении. Это приведёт к снижению частоты вращения двигателя, при постоянном моменте нагрузки, а также к снижению перегрузочной способности двигателя. Это связано с тем, что при уменьшении напряжения питания, максимальный момент двигателя уменьшается в квадрат раз. Кроме того, этот момент уменьшается быстрее, чем ток в цепи ротора, а значит, растут и потери, с последующим нагревом двигателя.

Способ регулирования изменением напряжения, возможен только вниз от естественной характеристики, так как увеличивать напряжение выше номинального нельзя, потому что это может привести к большим потерям в двигателе, перегреву и выходу его из строя.

Кроме автотрансформатора, можно использовать тиристорный регулятор напряжения.

Регулирование скорости с помощью изменения частоты питания

При данном способе регулирования, к двигателю подключается преобразователь частоты (ПЧ). Чаще всего это тиристорный преобразователь частоты. Регулирование скорости осуществляется изменением частоты напряжения f, так как она в данном случае влияет на синхронную скорость вращения двигателя.

При снижении частоты напряжения, перегрузочная способность двигателя будет падать, чтобы этого не допустить, требуется повысить величину напряжения U1. Значение на которое нужно повысить, зависит от того какой привод. Если регулирование производится с постоянным моментом нагрузки на валу, то напряжение нужно изменять пропорционально изменению частоты (при снижении скорости). При увеличении скорости этого делать не следует, напряжение должно оставаться на номинальном значении, иначе это может причинить вред двигателю.

Если регулирование скорости производится с постоянной мощностью двигателя (например, в металлорежущих станках), то изменение напряжения U1 необходимо производить пропорционально квадратному корню изменения частоты f1.

При регулировании установок с вентиляторной характеристикой, необходимо изменять подводимое напряжение U1 пропорционально квадрату изменения частоты f1.

Регулирование с помощью изменения частоты, является наиболее приемлемым вариантом для асинхронных двигателей, так как при нем обеспечивается регулирование скорости в широком диапазоне, без значительных потерь и снижения перегрузочных способностей двигателя.

Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов

Такой способ регулирования возможен только в многоскоростных асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов этого ротора, всегда равно количеству полюсов статора.

В соответствии с формулой, которая рассматривалась выше, скорость двигателя можно регулировать изменением числа пар полюсов. Причём, изменение скорости происходит ступенчато, так как количество полюсов принимают только определённые значения – 1,2,3,4,5.

Изменение количества полюсов достигается переключением катушечных групп статорной обмотки. При этом катушки соединяются различными схемами соединения, например “звезда - звезда” или “звезда – двойная звезда”. Первая схема соединения даёт изменение количества полюсов в соотношении 2:1. При этом обеспечивается постоянная мощность двигателя при переключении. Вторая схема изменяет количество полюсов в таком же соотношении, но при этом обеспечивает постоянный момент двигателя.

Применение данного способа регулирования оправдано сохранением КПД и коэффициента мощности при переключении. Минусом же является более сложная и увеличенная конструкция двигателя, а также увеличение его стоимости.

Читайте также - Торможение асинхронного двигателя

  • Просмотров: 1582
  • electroandi.ru

    Уравнения напряжений асинхронного двигателя

     

    Как следует из принципа действия асинхронного двигателя (см. § 6.2), обмотка ротора не имеет элек­трической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, и энергия из обмотки статора передается в обмотку ротора магнитным полем. В этом отношении асин­хронная машина аналогична трансформатору: об­мотка статора является первичной, а обмотка ротора - вторичной.

    В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнито­движущие силы; МДС статора и МДС ротора. Со­вместным действием эти МДС наводят в магнитной системе двигателя результирующий магнитный по­ток, вращающийся относительно статора с синхрон­ной частотой вращения n1. Так же как и в трансфор­маторе, этот магнитный поток можно рассматривать состоящим из основного потока Ф, сцепленного как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора (маг­нитный поток взаимоиндукции), и двух потоков рас­сеяния: Фσ1 — потока рассеяния обмотки статора и Ф σ2 — потока рассеяния обмотки ротора (см. § 11.3). Рассмотрим, какие ЭДС наводят указанные потоки в обмотках двигателя.

    Электродвижущие силы, наводимые в об­мотке статора. Основной магнитный поток Ф, вра­щающийся с частотой n1 наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е1, значение которой опреде­ляется выражением [см. (7.20)] E1 = 4,44 f1 Ф ω1 kоб1.

    Магнитный поток рассеяния Фσ1 наводит в об­мотке статора ЭДС рассеяния, значение которой оп­ределяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора:

    σ1 = - j 1x1(12.1)

    где х1 — индуктивное сопротивление рассеяния фаз­ной обмотки статора [см. (11.6)],Ом.

    Для цепи обмотки статора асинхронного двигателя, включен­ной в сеть с напряжением U1, запишем уравнение напряжений по второму закону Кирхгофа:

    1 + 1 + σ1 = 1 r1, (12.2)

    где I1 r1 - падение напряжения в активном сопротивлении обмот­ки статора r1.

    После переноса ЭДС E1, и Eσ1 , в правую часть уравнения (12.2) с учетом (12.1) получим уравнение напряжений обмотки статора асинхронного двигателя:

    1 = (- 1) + j 1 x1 + 1r1(12.3)

    Сравнив полученное уравнение с уравнением (1.13), видим, что оно не отличается от уравнения напряжений для первичной цепи трансформатора.

    Электродвижущие силы, наводимые в обмотке ротора.В процессе работы асинхронного двигателя ротор вращается в сто­рону вращения поля статора с частотой n2. Поэтому частота вра­щения поля статора относительно ротора равна разности частот вращения (n1 – n2). Основной магнитный поток Ф, обгоняя ротор с частотой вращения ns = (n1 - n2), индуцирует в обмотке ротора ЭДС

    Е2 = 4,44 f2 Ф ω2 коб2(12.4)

    где f2— частота ЭДС Е2s в роторе, Гц; ω2 — число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки ротора; ko62 — обмоточный коэффициент обмотки ротора.

    Частота ЭДС (тока) в обмотке вращающегося ротора пропор­циональна частоте вращения магнитного поля относительно ротора ns = n1 - n2, называемой частотой скольжения:

    f2 = pns / 60 = p(n1 – n2) / 60,

    или

    f2 = = = f1s (12.5)

    т. е. частота ЭДС (тока) ротора пропорциональна скольжению. Для асинхронных двигателей общепромышленного назначения эта частота обычно невелика и при f1 = 50 Гц не превышает нескольких герц, так при s = 5% частота f2 = 50 0,05 = 2,5 Гц. Подставив (12.5) в (12.4), получим

    E2s = 4,44 f1 s Ф ω2 kоб2 = E2 s. (12.6)

    Здесь Е2 - ЭДС, наведенная в обмотке ротора при скольжении s = 1, т. е. при неподвижном роторе, В.

    Поток рассеяния ротора Фσ2 индуцирует в обмотке ротора рассеяния, значение которой определяется индуктивным падением напряжения в этой обмотке:

    σ2 = - j 2 x2 s (12.7)

    где х2 - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора при неподвижном роторе [см. (11.8)], Ом.

    Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не свя­зана с внешней сетью и к ней не подводится напряжение. Ток в этой обмотке появляется исключительно за счет ЭДС, наведенной основным магнитным потоком Ф. Поэтому уравнение напряжений для цепи ротора асинхронного двигателя по второму закону Кирхгофа имеет вид

    2s + σ2 = 2 r2

    где r2 — активное сопротивление обмотки ротора. С учетом (12.6) и (12.7) получим

    2s - j 2 x2 s - 2 r2 (12.8)

    Разделив все слагаемые равенства (12.8) на s, получим

    2 - j 2 x2 - 2 r2 / s = 0 (12.9)

    -уравнение напряжений для обмотки ротора.

    Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

    zdamsam.ru