Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электромеханическая и механическая характеристика двигателя с фазным ротором

Электромеханическая и механическая характеристика двигателя с фазным ротором

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Данная лабораторная работа входит в цикл работ по исследованию электромеханических свойств электродвигателей. При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо изучить теоретический материал по теме ‘Электромеханические свойства асинхронного двигателя с фазным ротором», проработать настоящие методические указания и оформить заготовку отчета согласно п.4. Студент допускается к выполнению лабораторной работы при условиях завершения отчетности по ранее выполненным лабораторным работам и подготовленности к выполнению данной лабораторной работы. Решение о допуске принимает преподаватель, который проводит лабораторное занятие.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — изучение электромеханических свойств асинхронного двигателя (АД) с фазным ротором в статических режимах.

ЗАДАНИЕ: снять естественные механическую и электромеханическую характеристики АД, две реостатные (искусственные) механические характеристики, механические характеристики в режиме динамического торможения (при отсутствии и наличии добавочного сопротивления в цепи ротора и двух значениях постоянного тока в цепи статора), построить графики механических и электромеханических характеристик, дать оценку электромеханических свойств АД.

1 СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД С ФАЗНЫМ

Асинхронные электродвигатели по сравнению с двигателями постоянного тока обладают известными преимуществами |1], обусловившими их широкое применение в промышленности. Они уступают двигателям постоянного тока по возможностям плавного и глубокого регулирования скорости, однако развитие силовой электроники и микропроцессорной техники позволяет решать эту проблему. Основными недостатками асинхронных двигателей являются [2]: квадратичная зависимость электромагнитного момента от напряжения, тепловая чувствительность статора и ротора по отношению к напряжению и малый воздушный зазор, несколько снижающий надежность двигателя. АД с фазным ротором менее распространены, чем АД с короткозамкнутым ротором, из-за усложнения конструкции ротора и соответственно меньшей надежности, более высокой цены и усложнения эксплуатации. Однако они имеют существенно большие возможности регулирования скорости благодаря дополнительной возможности управления двигателем по цепи ротора, Принципиально возможное полюсное управление (переключением полюсов) для АД с фазным ротором не применяется из-за сложности технической реализации. Наиболее широко АД с фазным ротором применяются в подъемно-транспортных механизмах.

Электрическая схема АД с фазным ротором показана на рис.1.

Фазы статора и ротора соединены практически всегда в звезду. Через контактные кольца, расположенные на валу

ротора, осуществляется включение в цепь ротора добавочного сопротивления rд с целью получения искусственных механических характеристик двигателя с меньшей жесткостью, чем естественная характеристика (в рабочей части характеристик). При закороченных кольцах (rд=0) этот двигатель принципиально не отличается от АД с короткозамкнутым ротором.

Трехфазная система токов в обмотке статора АД создает вращающееся магнитное поле. Угловая скорость вращения последнего (синхронная скорость) равна

а частота вращения поля

где f1, — частота напряжения сети; рп — число пар полюсов.

При работе АД в режиме холостого хода развиваемый им электромагнитный момент равен нулю (М=0), а скорость вращения ротора равна синхронной скорости ( ).

Если под действием внешнего (статического) момента ротор АД вращается со скоростью выше синхронной в направлении вращения поля статора, то электромагнитный момент М оказывает тормозящее воздействие на ротор, что свидетельствует о работе АД в генераторном режиме (с рекуперацией энергии в сеть).

При работе АД в двигательном режиме ротор вращается в направлении вращения поля статора, развивая электромагнитный момент движущего характера. При этом скорость вращения ротора меньше синхронной. В начальный момент пуска, когда , АД развивает пусковой момент М=Мп, направленный в сторону вращения поля статора.

АД может работать также в режиме электромагнитного тормоза (противовключения). В этом случае ротор под действием внешних сил (статического момента Мс) вращается в направлении, противоположном направлению вращения поля статора, а электромагнитный момент М имеет тормозной характер. В режиме электромагнитного тормоза к АД подводится электрическая энергия из сети и механическая энергия со стороны вала (от источника внешних сил).

Скорость вращения магнитного поля машины относительно ротора называется скоростью скольжения. Она равна

Отношение скорости скольжения к скорости вращения магнитного поля называется скольжением. Последнее равно

или в процентах

Зависимость скорости вращения ротора от скольжения имеет вид

Одно из возможных направлений вращения магнитного поля (и соответственно ротора) принимается условно за положительное. Направление вращения магнитного поля определяется порядком следования фаз в цепи статора. В соответствии с последними формулами при включении АД на положительное направление вращения ( >0) скорость вращения ротора и скольжение в различных режимах работы двигателя принимают следующие значения:

— режим идеального холостого хода

— начальный момент пуска

Мощность потребления электрической энергии из сети

где U1 и I1 — линейные напряжение и ток цепи статора;

— коэффициент мощности двигателя.

Электромагнитная мощность, передаваемая с помощью вращающегося магнитного поля со статора на ротор, равна

При работе двигателя в установившемся режиме ( = const) имеет место равенство

Расход энергии на преодоление статического момента характеризуется механической мощностью

Мощность Р2 на валу двигателя меньше механической мощности на величину мощности механических потерь. Поэтому полезный момент на валу двигателя

Читать еще:  Двигатели постоянного тока принцип действия схемы управления

немного меньше электромагнитного момента.

Следует иметь в виду, что на паспортном щитке любого двигателя в качестве номинальной мощности указывается номинальная мощность на валу (Р2н), а не номинальная мощность потребления энергии из сети (P1н).

Зависимости токов статора I1 и ротора I2 от скольжения или от скорости называются электромеханическими характеристиками двигателя (рис.2). Основной характеристикой электродвигателя, определяющей его эксплуатационные возможности, является статическая механическая характеристика (М) или S(M). Механическая характеристика АД (рис.2) приближенно описывается формулой Клосса:

где Мк — максимальный (критический) момент; Sк — критическое скольжение. Точка с координатами (Sк, Mк) делит механическую характеристику на две части: рабочую (S Sк). Устойчивая работа АД возможна лишь на рабочей части характеристики.

Механическая характеристика при номинальных значениях напряжения сети (U1=U1н) и частоты (f1=f1н), а также при отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора (Rд=0) называется естественной. Механические характеристики, имеющие место при нарушении хотя бы одного из этих условий, называют искусственными.

У двигателей нормального исполнения кратность максимального момента kм = Мк/Мн 1,7.

Кратность пускового момента kп = Мп/Мн = 1,3 – 1,8 при кратности пускового тока k1п = I1п/ I1н -=5-7 (рис.2).

Наиболее часто используют два метода электрического торможения асинхронных двигателей: торможение противовключением и генераторное (рекуперативное) торможение с отдачей энергии в сеть. Режим противовключения имеет место, например, при переключении двух фаз обмотки статора, т.е. при изменении направления вращения магнитного поля машины с целью реверсирования двигателя либо экстренной остановки. Установившееся движение в режиме противовключения в таком случае невозможно. Режим генераторного торможения имеет место при > (S =0) и имеет такую же форму, как при нормальной схеме включения двигателя.

Следует отметить высокую чувствительность АД к колебаниям напряжения сети. На рис. 3 показаны механические характеристики АД при номинальном и пониженном значениях напряжения сети (кривые 1 и 2).

Критическое скольжение от напряжения сети не зависит, а электромагнитный момент пропорционален квадрату напряжения. Поэтому, например, при снижении напряжения на 25% критический момент может оказаться меньше номинального, и при статическом моменте, близком к номинальному, двигатель может остановиться.

При нормальной схеме включения АД (рис.1), когда обмотка статора подключена к сети с номинальными значениями напряжения и частоты (Ulн, f1н), возможно получение только двух видов искусственных механических характеристик: реостатных (rд>0) и характеристик динамического торможения (рис.4).

Курсовая Методики анализа и расчета выпрямителей

Скорость всех электродвигателей (кроме синхронного) является функцией электромагнитного момента и, следовательно, момента нагрузки на валу, которое в установившемся режиме работы привода уравновешивают друг друга. Поэтому заданная скорость рабочего органа электрифицируемого механизма используется лишь на первых порах проектирования для предварительного выбора двигателя. В дальнейшем для каждого режима скорость электропривода должна быть взята из механической характеристики выбранного двигателя.

Таким образом, вслед за выбором двигателя необходимо сразу же рассчитать и построить естественную механическую характеристику этого двигателя (если она не приведена в каталоге).

Построение естественной механической характеристики асинхронного двигателя

Как известно, механическая характеристика выражает зависимость между скоростью двигателя и развиваемым им электромагнитным моментом: ω = f (M). В асинхронных машинах скорость ω однозначно связана со скольжением s:

поэтому механическую характеристику асинхронных двигателей часто выражают в виде зависимости между моментом и скольжением, т.е. M = f (s), которая является более удобной при выполнении многих расчетов (рис.7).

Естественную механическую характеристику строят по так называемой формуле Клосса:

где M и S – текущие значения момента и скольжения;

SКР – критическое скольжение, соответствующее значению критического (максимального) момента MКР

– коэффициент, выражающий отношение активного сопротивления фазы статора r1 и приведенному значению активного сопротивления фазы ротора .

Для большинства асинхронных двигателей с фазным ротором , для многих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

В каталогах на асинхронные двигатели обычно приводится перегрузочная способность

пользуясь которой можно определить критический момент двигателя:

В уравнениях механической характеристики используется электромагнитный момент двигателя, который через момент на валу при номинальном режиме МВ.Н. можно выразить как

где РЭ.Н. – электромагнитная номинальная мощность двигателя;

ΔММЕХ.Н – момент, обусловленный механическими потерями в двигателе ΔРМЕХ.Н при номинальном режиме.

Если принять механические потери в роторе ΔРМЕХ.Н равными 1% от номинальной мощности двигателя, то электромагнитный номинальный момент двигателя можно выразить уравнением

где РН – номинальная мощность (на валу) двигателя.

Необходимое для использования формулы Клосса критическое скольжение Sкр можно определить из выражения

где – индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя. Знак «плюс» (+) – для двигательного режима, «минус» (–) – для генераторного.

Однако в каталогах на асинхронные двигатели часто не приводятся сопротивления обмоток. В этих случаях критическое скольжение Sкр определяется в результате решения уравнения (42), записанного для номинального режима работы двигателя, т.е. при М = МН; S = SH:

где – номинальное скольжение;

– синхронная угловая скорость, для определения которой p берется из обозначения типа выбранного двигателя.

Читать еще:  Что за двигатели bmw nx7k1 nx7u1 nx7o1ldbufntkb bmw

Для двигателей значительной мощности

В этих случаях, а также во многих инженерных расчетах, к результатам которых не предъявляют повышенных требований в отношении точности, пренебрегают значением активного сопротивления обмотки статора (r1 ≈ 0). Тогда

и получают так называемую упрощенную формулу Клосса

где SКР находится аналогичным путем и имеет следующее выражение:

В уравнениях (49) и (51) знак «минус» (–) отбрасывается, как не соответствующий физическому смыслу.

Построенные по уравнениям (42) ж (50) механические характеристики близки к экспериментальным на участке, соответствующем скольжениям от S = 0 до S = SКР. При скольжениях от SKP до SП = 1 формула Клосса дает недопустимые погрешности. Поэтому для асинхронных короткозамкнутых двигателей небольшой и средней (несколько десятков киловатт) мощности при расчете укатанного участка механической характеристики рекомендуется использовать Формулу предложенную автором,

которая получена из формулы Клосса введением расчетного коэффициента

где – соотношение пускового и максимального моментов двигателя;

– кратность пускового момента

Значение SКР определяется из выражения (51).

§ 10. Построение механических характеристик двигателей

Построение естественной механической характеристики двигателя с независимым (параллельным) возбуждением

Уравнения естественных электромеханической характеристики

и механической характеристики

выражают линейную зависимость скорости двигателя от тока в якоре или электромагнитного момента двигателя (рис.8). Как и всякие прямые, они могут быть построены по двум точкам. Каждая точка механической характеристики определяет тот или иной режим работы двигателя. Наиболее полную информацию мы обычно имеем о режимах идеального холостого хода и номинальном режиме, которые определяются соответственно точками 1 (М = 0; ω = ω0) и 2 (М = МН; ω = ω0).

В каталоге на выбранный двигатель, очевидно, будет указана частота вращения n, об/мин, по которой возможно определить необходимую для расчетов номинальную угловую скорость двигателя.

Для определения скорости идеального холостого хода ω0 и номинального момента МН необходимо знать коэффициент постоянного потока к = сФ, который можно найти в результате решения уравнения электромеханической характеристики, записанного для номинального режима работы двигателя:

где ток якоря Ia предполагается равным потребляемому двигателем из сети току I (Iaн ≈ IH) и в дальнейшем индекс а поэтому будем опускать (т. к. ток возбуждения іВ = 0,01 – 0,05 Iа).

Сопротивление цепи якоря (если оно не дано в каталоге) можно найти, предположив, что двигатель имеет максимальный к.п.д. при номинальной нагрузке. Тогда, исходя из равенства постоянных и переменных потерь:

После этого легко определяются координаты

Следует иметь в виду, что для построения механической характеристики используется электромагнитный момент М, а не момент на валу

который отличается от электромагнитного М на величину момента потерь в двигателе ΔМ:

где знак «минус» (–) берется для двигательного режима, «плюс» (+) – для тормозного.

Механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя.

В настоящее время большое распространение получил электропривод переменного тока на базе простой по устройству и надежной в эксплуатации асинхронной машины.

Асинхронные двигатели получили большое распространение благодаря следующим своим качествам:

своей дешевизне двигателя,

достаточной высокой надежности,

относительно высокого КПД,

меньшего расхода цветных металлов на единицу мощности в 1,5-2 раза, чем для двигателя постоянного тока.

К недостаткам асинхронного двигателя следует отнести:

Квадратичная зависимость момента от напряжения, т.е. при падении напряжении в сети значительно уменьшится пусковой и максимальный момент.

;Хк=Х+Х’2.

Опасность перегрева статора особенно при повышенном напряжении,

Малый воздушный зазор, который несколько понижает надежность двигателя.

Наибольшее распространение среди асинхронных двигателей получил двигатель с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором применяются для механизмов с длительным режимом работы и не требующих регулирования скорости: в доменных цехах, используют для электропуска на электроприводе нагрузки кокса, для транспорта, в прокатных цехах, для тракторов и т.д.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором применяют для тельферов, кран-балок, тихоходных мостовых кранов и пока широко применяют для электроприводов насосов малой мощности, транспортеров. В настоящее время наблюдается тенденция для использования двигателя с короткозамкнутым ротором в системах ПЧ-АД (преобразователя частоты в асинхронных двигателях).

Применение двигателя с фазным ротором оправдывается в следующих случаях:

Для мостовых кранов, нормальных и быстроходных, где требуется регулирование скорости на приводе моста, тележки и подъема груза.

Для маховичных приводов типа ножницы, прессы, главные приводы станков.

Для приводов, работающих с большой частотой включения, где асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не проходит по нагреву или не дает требуемых динамических характеристик для торможения.

ЕррнS;;S– скольжение.

f2=f1S;f1– частота сети,f2– частота ротора.

;р– число пар полюсов.

;n– обороты ротора.

w=w(1-S); n=n(1-S);

М=КФI2cos; — угол между ЭДС и током ротора.

Механические характеристики асинхронного двигателя.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость скорости вращения двигателя или скольжения от вращающего его момента и наоборот.

М=f(s) s=(M)

Читать еще:  В чем минус при пуска двигателя в мороз

M=f(w) w=(M)

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя можно получить использованием упрощенной схемы замещения асинхронного двигателя, которая имеет вид:

— суммарное активное сопротивление фазы ротора, приведенного к статору.

I1– ток статора;

I2 – ток ротора;

I– ток холостого хода;

Х1– индуктивное сопротивление фазы обмотки статора;

Х’2– индуктивное сопротивление, приведенное к статору, индуктивное сопротивление обмотки ротора;

Х – индуктивное сопротивление намагничивающего контура;

R– активные потери в статоре;

R2– сопротивление обмотки фазы ротора приведенного к статору;

R2п– внешнее сопротивление, включенное в фазу ротора приведенного к статору.

Выражение для момента двигателя можно получить из уравнения баланса мощности асинхронного двигателя:

Р1z– электромагнитная мощность;

Рм– мощность на валу двигателя;

Р2эл– мощность электрических потерь.

Рм=Mw; Р12=Мw;

;

;;

;

().

Кривая зависимости момента от скольжения имеет два максимума – один в генераторном режиме, другой в двигательном режиме или торможения противовключением.

Взяв производную от выражения () и приравняв к нулюdM/dS=0,находят критическое скольжениеSкр, при котором двигатель развивает максимальный момент:

;.

Подставим значение критического скольжения в формулу электромагнитного момента (), получим выражение для критического или максимального момента:

Разделив выражение электромагнитного момента на выражения Мк,получим следующую формулу:

();.

Для крупных машин в виду малости активного сопротивления обмотки статора (R1) коэффициент «а» можно принять равным нулю

а;R1=0;.

В электромашинах часто используют параметр (коэффициент перегрузочной способности)кдн.

Из номинального режима работы асинхронного двигателя подставим в формулу () Клосса значениеМ=Мн,S=Sни, принимая параметра=0, получим:

1. От wдо точки а – рабочий участок, определяется скольжениемS 0,350.4Sk,механическая характеристика линейная

;SSk;

2. Sкд– точка критического скольжения, изменяется в пределах 0,080,3.

Критический момент изменяется в пределах 1,63,4

3. Точка холостого хода М=0, скольжение равно нулю,w.

Точка б МскМн.

;;

Точка критического скольжения в генераторном режиме при рекуперации энергии в сеть.

;МкгМкд.

Торможение асинхронного двигателя: противовключением и динамическое. Тормозные характеристики.

У асинхронного двигателя можно осуществить следующие виды торможения: торможение противовключением, генераторное торможение, динамическое торможение, торможение с самовозбуждением .

Торможение асинхронного двигателя противовключением

При торможении противовключением изменяют порядок чередования фаз на статоре электродвигателя.

Тормозная характеристика асинхронного двигателя при торможении противовключением.

Допустим двигатель работал при моменте Mс в точке a естественной механической характеристики. В момент изменения порядка чередования фаз происходит бросок тока, и двигатель переходит работать в точку a’. Затем скорость двигателя начинает снижаться до нуля.

Отрезок a’b – участок тормозной характеристики асинхронного двигателя в режиме противовключения. В точке b статор двигателя нужно обязательно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Для крановых механизмов можно использовать еще один способ торможения противовключением. Он называется силовой спуск. Этот способ торможения осуществляется под действием производственного механизма, когда двигатель включается на подъем, а груз опускается под действием собственной силы тяжести. Этот режим можно выполнять только на искусственной реостатной характеристике с введенными сопротивлениями в цепь ротора.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Осуществляется путем подачи постоянного тока в статор асинхронного двигателя после отключения статора от сети переменного тока контактором КМ1.

Динамическое торможение можно осуществлять как для двигателя с короткозамкнутым ротором, так и для двигателя с фазным ротором. Причем у двигателя с фазным ротором сопротивление в цепь ротора может быть включено или ротор замкнут накоротко без сопротивлений.

Схема динамического торможения асинхронного двигателя.

Тормозная характеристика асинхронного двигателя при динамическом торможении: кривая 7 — электромеханическая характеристика, кривые 4-6 механические характеристики.

При подаче постоянного тока в две фазы обмотки статора в воздушном зазоре асинхронного двигателя создается постоянное магнитное поле. Когда ротор попадает в это поле, в нем наводится постоянная ЭДС, направленная навстречу ЭДС вращающего магнитного поля, и ротор притормаживается.

При этом торможении двигатель работает в режиме генератора, независящего от сети переменного тока и преобразует кинетическую энергию движущихся частей электропривода в электрическую энергию, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

Процессом динамического торможения можно управлять, то есть изменять время торможения двумя способами. У асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором можно изменять тормозной ток. Для двигателей с фазным ротором можно изменять величину добавочного сопротивления в цепи ротора.

Недостатком динамического торможения является несимметрия магнитного поля при торможении, так как постоянный ток попадает только в две фазы. Несимметрия приводит к вибрации машины во время торможения.

В машинах мощностью более 100 кВт, чтобы избежать вибрации, с помощью усложнения силовой схемы подают постоянный ток во все три фазы. Но это очень усложняет и удорожает привод.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector