Расчет характеристик асинхронного электродвигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Режимы работы асинхронных электродвигателей

2. Расчет пусковых резисторов асинхронных двигателей

3. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя

асинхронный электродвигатель резистор торможение

1. Режимы работы асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели, так же как и двигатели постоянного тока, обратимы, т.е. могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном (тормозном).

ДВИГАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ. Режим имеет две граничные точки (рис. 11.3): идеального холостого хода (д) и короткого замыкания (а). В режиме идеального холостого хода . Двигатель не потребляет от сети энергии, по обмотке статора течет только индуктивный ток, создающий вращающееся магнитное поле. Потери энергии в двигателе отсутствуют. Такой режим на практике встречается довольно редко. Чаще имеет место режим реального холостого хода, при котором n несколько меньше n₀. Скольжение также очень мало, но не равно нулю (точка г). Короткое замыкание получается, если ротор затормозить () а обмотку статора включить в сеть. Режим короткого замыкания возникает каждый раз в момент пуска двигателя. Кроме граничных точек а и д характерными являются промежуточные точки: б - критическая, в - номинальная, г - реального холостого хода. Участок характеристики аб, имеющий наклон слева вверх направо, соответствует неустойчивому режиму. Эту часть механической характеристики двигатель проходит, например при пуске. Отрезок бд имеет обратный наклон, что соответствует устойчивому нормальному режиму работы.

РЕКУПЕРАТИВНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ. получается, если скорость ротора больше скорости поля . При этом скольжение становится отрицательным . Согласно момент тоже будет отрицательным, направленным против вращения. При этом кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рекуперируется в сеть. На рис. 1 изображены механические характеристики асинхронного двигателя в различных режимах работы. Рекуперативному режиму соответствуют характеристики 2. Рекуперативное торможение можно получить, например, за счет быстрого переключения обмоток статора на большее число пар полюсов или за счет снижения частоты питающего тока.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ. Асинхронный двигатель переводится из двигательного режима в режим динамического торможения отключением его статорной обмотки от трехфазной сети и замыканием двух любых фаз на источник постоянного напряжения (рис. 2, а). Образуется постоянное магнитное поле статора, в котором вращается ротор. В его проводниках наводится ЭДС и течет ток. Он взаимодействует с неподвижным полем статора и вызывает тормозной электромагнитный момент. Асинхронный двигатель начинает работать в режиме синхронного генератора. По обмоткам ротора протекает переменный ток, величина которого постепенно уменьшается до нуля по мере остановки ротора. Механические характеристики 3 (рис. 1) проходят через начало координат и располагаются во второй и четвертой четвертях. Эффективность торможения зависит от величины тока статора и сопротивления ротора. Наилучшие результаты получаются при постоянном токе в статоре и тормозном резисторе (I₀ - ток холостого хода). Кинетическая энергия электропривода переходит в электрическую, а затем в тепловую в тормозных резисторах и в обмотке ротора.

КОНДЕНСАТОРНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ. является разновидностью динамического торможения. Схема конденсаторного торможения представлена на рис. 2, б. В нормальном режиме работы конденсаторы постоянно включены в сеть параллельно со статором. При отключении двигателя от сети конденсаторы начинают разряжаться на статор. Протекает экспоненциально уменьшающийся ток и создается магнитное поле постоянного направления. В этом поле вращается по инерции ротор, в нем наводится ЭДС и течет ток. Возникает тормозной момент аналогично динамическому торможению.

Конденсаторное торможение при малых скоростях еще менее эффективно, чем динамическое, так как ЭДС в роторе снижается не только за счет уменьшения скорости, но и за счет затухания поля статора. Однако такой метод торможения не требует источника постоянного напряжения, а в нормальном режиме работы конденсаторы способствуют повышению сети. В начальный момент разрядки конденсаторов получается интенсивное торможение, поэтому такой способ широко используют на практике.

а) динамическое; б) конденсаторное; в) противовключением; г) индуктивно-динамическое.

ТОРМОЖЕНИЕ ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЕМ. Если у работающего двигателя поменять чередование фаз статора путем переключения любых двух фаз обмотки (рис. 2, в) то мгновенно изменится направление вращения поля. При этом ротор продолжает вращаться по инерции, а электромагнитный момент меняет свое направление. Скольжение становится больше единицы: . Это приводит к тормозному режиму с очень большим током и моментом. Кинетическая энергия переходит в электрическую. Одновременно происходит приток энергии из сети посредством трансформации, поэтому торможение получается весьма эффективным. Чтобы уменьшить ток и ослабить резкий толчок от тормозного момента, на время торможения в цепь ротора необходимо включать резисторы. Механические характеристики и торможения противовключением показаны на рис. 1.

ИНДУКЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ. В последнее время в результате широкого применения полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров) стало возможным индукционно-динамическое, рекуперативно-динамическое, динамическое и конденсаторное и другие виды торможения. На рис. 2, г показана схема индукционно-динамического торможения. При одной полярности напряжения сети протекает выпрямленный однополупериодный ток I₀ и получается динамическое торможение. При обратной полярности тиристор не пропускает тока, но под действием ЭДС самоиндукции в обмотках возникает ток I_к, который начинает замыкаться через диод. Возникает торможение коротким замыканием. При этом аналогично конденсаторному торможению в статоре протекает затухающий по экспоненте ток и появляется тормозной момент (индукционное торможение). Таким образом, сочетание двух видов торможения оказывается более эффективным, чем динамическое.

2. Расчет пусковых резисторов асинхронных двигателей

Проблемы, возникающие при пуске асинхронных двигателей, близки к проблемам, возникающим при пуске двигателей постоянного тока. Общим является факт протекания большого пускового тока, что опасно с точки зрения перегрева обмоток статора и ротора. В то же время снижается напряжение сети, отрицательно влияющее на работу других потребителей.

В отличие от двигателей постоянного тока, имеющих коллектор, в асинхронных двигателях нет искрения, ограничивающего пуск двигателя. С другой стороны, пусковой момент в асинхронных двигателях меньше, чем в двигателях постоянного тока. Пусковой (пиковый) момент асинхронного двигателя желательно принимать . Момент переключения и сопротивления пусковых ступеней можно определить различными способами: аналитическим или графическим. Первый целесообразен, когда пуск происходит в пределах . При больших пусковых моментах предпочтительней графический метод. В режиме нормального пуска задаются моментами переключения , превышающими статический момент примерно на 10…20%, т.е.

(при ).

Графический метод расчета пусковых сопротивлений основан на том положении, что прямые, проведенные через любые две точки на естественной и реостатной характеристиках, соответствующие одинаковым моментам, пересекаются в одной точке, лежащей на горизонтальной прямой при .

Первоначально строим естественную механическую характеристику, рассчитанную по данным двигателя (рис. 3).

В соответствии с приведенными выше рекомендациями или по условию задачи задаемся величинами и . Из точек а и б, соответствующим этим моментам, восстанавливаем два перпендикуляра до пересечения с естественной характеристикой в точках 3 и 4. Проводим прямую через точки 3 и 4 до пересечения с горизонталью, проходящей через точку на оси .

Получаем точку к. Строим прямую бк, а затем пусковую диаграмму абвгдежз. При этом точка 3 должна оказаться на естественной характеристике. Если эта точка не будет принадлежать естественной характеристике, то выбираем другой величины и повторяем построения. Из зависимости:

,

с учетом того, что скорость линейно зависит от скольжения, имеем:

.

Из построения получаем:

,

,

.

.

Отрезок - масштаб сопротивлений .

Сопротивления могут быть определены из построения (рис. :

,

,

.

По мере разгона двигателя ступени реостата последовательно шунтируются, и двигатель переходит на естественную характеристику. Аналитический способ расчета пусковых сопротивлений базируется на тех же положениях, что и графический.

Для вывода формул расчета сопротивлений ступеней пускового реостата по данным: активному сопротивлению фазы ротора R₂ и моментом пусковому М_п и переключения - М_пр воспользуемся построениями на рис. 3.

Обозначим отношение пиковых моментов (пусковых) к переключающим моментам через С:

_;

.

Легко показать, что:

,

,

.

,

, ;

, ;

, .

Пример.

Рассчитать сопротивления пусковых ступеней трехступенчатого реостата для пуска двигателя МТБ211-6.

Пусковой момент относительно критического (максимального)

.

2. Определяем номинальный момент:

.

Пусковой (пиковый) момент:

.

Момент переключения:

Кратность пусковых моментов:

.

Номинальное скольжение:

.

Номинальное сопротивление ротора:

.

Сопротивление обмотки ротора:

.

Определяем полное сопротивление цепи ротора на ступенях переключения реостата:

,

,

.

Сопротивления секции реостата:

,

,

.

3. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя

Синхронные двигатели, если они работают при постоянной частоте с неизменной угловой скоростью, применяются для приводов, не требующих частых пусков регулирования скорости.

К таким приводам относятся: компрессоры, холодильные машины, камнедробилки, насосы, вентиляторы и др. Синхронный электродвигатель имеет более высокий КПД, чем асинхронный, может работать с перевозбуждением, то есть с отрицательным углом , тем самым, компенсируя индуктивную мощность других потребителей. Хотя синхронный двигатель более сложен по конструкции, требует источника постоянного тока, имеет контактные кольца, тем не менее, он оказывается экономически более эффективным, чем асинхронный, особенно для привода мощных механизмов.

Угловая скорость синхронного двигателя (рис.) при работе в установившемся режиме с возрастанием нагрузки на валу до определенного значения, не превышающего максимального момента М_мак, остается строго постоянной и равна синхронной угловой скорости

.

Поэтому механическая характеристика его имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Если момент нагрузки превышает М_мак, то двигатель может выпасть из синхронизма и зависимость , приведенная на рис. 4 нарушится.

Современные синхронные двигатели имеют в роторе, кроме нормальной рабочей обмотки, питаемой постоянным током, еще и специальную пусковую короткозамкнутую обмотку. С помощью этой обмотки двигатель пускается в ход как асинхронный, и поэтому в пусковых режимах он обладает асинхронной характеристикой.

ПУСКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

На рис. 5 представлены две пусковые характеристики синхронного двигателя, одна из них 1 соответствует пуску с пониженным начальным пусковым моментом и значительным "входным" моментом , под которым понимается момент, развиваемый при скорости равной

.

При этой скорости возможно вхождение двигателя в синхронизм после выключения постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если пусковая клетка имеет увеличенное активное сопротивление, то начальный пусковой момент будет больше, а "входной" момент уменьшится (кривая 2, рис.). Выбор одной из двух указанных характеристик пуска зависит от моментов сопротивления, которыми обладают производственные механизмы.

При пульсации нагрузки на валу двигателя в установившемся режиме значение мгновенной скорости колеблется около среднего значения. Эти колебания происходят за счет изменения угла между напряжением и ЭДС синхронной машины. Для решения вопроса об устойчивой работе двигателя в таких случаях необходимо знать зависимость момента М от угла между напряжением и ЭДС.

Зависимость носит название угловой характеристики и имеет следующий вид:

, (1)

где m - число фаз статора.

С увеличением нагрузки угол возрастает. Из (1) видно, что вначале с увеличением угла растет и развиваемый двигателем момент (рис. 6), что удовлетворяет требованию устойчивой работы двигателя.

В правой части графика при условие устойчивой работы двигателя нарушается, так как при увеличении нагрузки угол продолжает возрастать, а момент, развиваемый двигателем, уменьшается, вследствие чего двигатель выпадает из синхронизма.

Левая часть характеристики, где , является рабочей частью характеристики.

УГЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Номинальному моменту М_ном практически соответствует угол . При этом кратность максимального момента к номинальному составляет

.

Синхронный двигатель может работать и в режиме генератора параллельно с сетью при синхронной угловой скорости, когда нагрузочный момент на его валу будет иметь отрицательное значение, чему отвечает левая ветвь характеристики (рис. 4, б). Для торможения такой режим практического значения не имеет, так как при этом нельзя получить снижения скорости.

Обычно применяется динамическое торможение синхронных двигателей, при котором обмотки статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы. Механические характеристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении. Интенсивность торможения зависит от сопротивления статорной цепи и от потока, создаваемого током роторной обмотки. Время торможения при питании цепей возбуждения от собственного возбуждения, находящегося на валу синхронного двигателя больше, чем при питании от независимого источника постоянного тока. Объясняется это тем, что при снижении угловой скорости возбудителя уменьшается его ЭДС, а, следовательно, уменьшаются ток возбуждения и тормозной момент.

Размещено на Allbest.ru