Расчёт характеристик трансформатора и электрических двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Электрические машины

на тему: Расчёт характеристик трансформатора и электрических двигателей

Магнитогорск, 2023

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Тема: Расчёт характеристик трансформаторов и электрических двигателей

Исходные данные: Параметры трансформатора:

,

соединенный по схеме звезда - звезда с нулевым проводом- ноль.

Параметры асинхронного двигателя:

Содержание

Введение

1. Траснформатор

1.1 Теоритический материал трансформатора

1.1.1 Назначение и история развития трансформатора

1.1.2 Принцип действия трансформатора

1.1.3 Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора

1.2 Расчет характеристик трансформатора

1.2.1 Электрическая схема соединения обмоток трансформатора

1.2.2 Номинальные фазные напряжения

1.2.3 Коэффициент трансформации

1.2.4 Номинальные линейные и фазные токи

1.2.5 Изменение напряжения.

1.2.6 Коэффициент полезного действия трансформатора

1.2.7 Нагрузку, при которой КПД трансформатора имеет наибольшее значение

1.3 Исследовательская часть трансформатора

• 2. Асинхронный двигатель
• 2.1 Теоритическая часть асинхронный двигателя
• 2.1.1 История создания и применение асинхронного двигателя
• 2.1.2 Устройство и принцип работы АД
• 2.1.3 Пуск АД
• 2.1.4 Регулирование скорости АД
• 2.2 Расчет и исследование характеристик асинхронного двигателя
• 2.2.1 Электрическую схема включения обмотки статора асинхронного двигателя
• 2.2.2 Активная, реактивная и полная мощности двигателя
• 2.2.3 Номинального и пускового токов; номинального, пускового и максимального моментов двигателя
• 2.2.4 Частоты вращения магнитного поля статора, номинального и критического скольжений
• 2.2.5 Полные потери мощности в двигателе при номинальном режиме работы
• 2.2.6 Расчёт зависимости частоты вращения ротора двигателя от величины механического момента, приложенного к его валу
• 2.2.7 Исследование зависимости частоты ЭДС и тока, электрических потерь в роторе от скольжения
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение
• Известно, что уровень жизни и культуры человечества в первую очередь определяется уровнем получения и использования различных видов энергии. Именно использование энергии многократно увеличивает возможности человека. Экономический и военный потенциал любой страны в значительной степени определяется ее энергетическими ресурсами. Из всех видов энергии (механической, тепловой, химической, лучистой и др.) наиболее универсальной и удобной в применении является электрическая энергия.
• Электрические машины в основном объёме любого производства занимают первое место. Они являются самыми массовыми приёмниками электрической энергии и одним из основных источников механической и электрической энергий. Поэтому очень важная роль отведена электрическим машинам в экономике и производстве.
• Сделать электрические машины менее энергоёмкими, более дешёвыми с лучшими электрическими и механическими свойствами. Данная проблема, решаемая постоянно при проектировании машин новых серий. Проектирование электрических машин процесс творческий требующий знания ряда предметов общетехнического цикла, новинок производства в области создания новых конструкционных, изоляционных материалов, требований спроса рынка, условий применения в электроприводе. В настоящее время практикуется создание не индивидуальных машин, а серий электрических машин, на базе которых выполняются различные модификации.
• При проектировании электрических машин конструктивные элементы должны быть рассчитаны так, что бы при изготовлении машины трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации они должны обладать оптимальными энергетическими показателями с учетом современного мирового уровня изготовления, а также требований государственных и отраслевых стандартов.
• Двигатели постоянного тока один из наиболее распространенных электрических машин. Особенно широко они используются в качестве электроприводов производственных механизмов и являются основными преобразованиями электрической энергии в механическую. В настоящее время двигатели постоянного тока потребляют значительную часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Это объясняется рядом преимуществ двигателей постоянного тока, по сравнению с асинхронными машинами, хотя последние так же широко применяются на промышленных предприятиях.
• Задачи, решаемые в процессе работы с двигателем постоянного тока: расчёт его основных параметров, а именно: токи якоря и возбуждения, сопротивлений якоря и возбуждения при рабочей температуре, номинальные момент и скорость двигателя, расчёт и построение его естественных и искусственных характеристик, Определение величины пускового реостата , а так же сопротивление динамического торможения.
• 1. Трансформатор
• 1.1 Теоретический материал трансформатора
• 1.1.1 Назначение и история развития трансформатора.
• Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
• Как правило, электрическая энергия вырабатывается там, где имеются энергетические ресурсы, т.е. на крупных реках и вблизи месторождений угля и газа. Потребители же энергии: крупные промышленные центры, большие города и населенные пункты -- находятся на значительном расстоянии от источников электроэнергии. Поэтому возникает необходимость передачи электрической энергии на дальние расстояния.
• Особенностью электрической энергии является то обстоятельство, что одно и то же значение электрической мощности можно получить при разных ее параметрах: при низком напряжении и большом токе или при высоком напряжении и малом токе. В разных случаях требуется электроэнергия с разными параметрами и возникает необходимость изменять эти параметры, для чего и используют трансформаторы.
• Принцип электромагнитного преобразования тока основан на явлении электромагнитной индукции, которое было открыто М. Фарадеем в 1831 г. Хотя это явление и использовалось позднее некоторыми учеными, но применение его для технических целей началось с работ П. Яблочкова, который впервые в 1876 г. применил устройство, имеющее разомкнутый сердечник с двумя независимыми обмотками, для питания электрических ламп -- «свечей Яблочкова». Это устройство позднее стали называть трансформатором. Трансформаторы с замкнутым сердечником и сам термин «трансформатор» появились значительно позднее -- в 1884--1886 гг.
• Началом практического применения трансформаторов и развития трансформаторостроения следует считать 1890 г., когда в Германии приступили к сооружению первой в мире опытной линии электропередачи высокого напряжения протяженностью 175 км из г. Лауфена в г. Франкфурт-на-Майне. Эта трехфазная система тока была разработана русским ученым М.О. Доливо-Добровольским. Гидрогенератор тока, установленный в г. Лауфене, имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. Трехфазный трансформатор повышал напряжение в начале линии до 15 кВ. В дальнейшем напряжение линии электропередачи было повышено до 20 кВ. В конце линии напряжение понижалось до 65 В (фазное значение) и подавалось для питания трехфазного асинхронного двигателя. Трехфазные трансформаторы для передачи электроэнергии и асинхронный двигатель были построены немецкой фирмой AEG по проекту М.О. Доливо-Добровольского.
• К концу XIX и началу XX в. практически уже были созданы все основные типы электрических машин и разработаны основы их теории и методы расчета. Конструкция трансформатора, предложенная М.О. Доливо-Добровольским, практически не изменилась до наших дней. Однако технико-экономические показатели трансформаторов были существенно повышены благодаря улучшению свойств применяемых изоляционных и магнитных материалов, за счет усовершенствования конструкции магнитопровода и обмоток, а также оптимизации технологии их изготовления. Значительно повысились мощности трансформаторов и их напряжения. В настоящее время развитие электрических машин и трансформаторов идет по пути дальнейшего повышения их энергетических показателей, улучшения технологичности конструкций, снижения шума и вибраций.[4]
• 1.1.2 Принцип действия трансформатора
• Принцип действия трансформатора основан явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков W, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке, под действием индуцированной в ней ЭДС возникнет ток I2, а на ее выводах установится напряжение U2. которые будут отличаться от тока 11 и напряжения U1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке от сети электрическая энергия с напряжением U1 и током I1 посредством магнитного поля передается во вторичную обмотку с напряжением U2 и током I2. Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока. В этом случае магнитный поток в нем будет неизменным во времени и, следовательно, не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Во избежание перегорания обмотки протекание такого тока допускать нельзя.
• Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной обмоткой. Обмотки трансформатора подключаются к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением, -- обмоткой низшего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше -- повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим. Трансформаторы с двумя обмотками называются двух-обмоточными.[5]. Простейшая схема трансформации показана на рисунке 1.1.1
• Рисунок 1.1.1 Простейшая схема трансформатора.
• 1.1.3 Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора
• Опыт холостого хода (ХХ).
• При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода , который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5-10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25-30% номинального тока. Ток холостого хода создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покры­тие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами. Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформа­тора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cosц его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода , потери в стали сердечника и коэффициент трансформации К. Силу тока холостого хода измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. Приборы при ХХ подключаются по рисунку 1.1.2
• Опыт короткого замыкания (КЗ).
• При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях. При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т.е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.[6] По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания , его активная и реактивная составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора при номинальной нагрузке и активное, реактивное и пол­ное сопротивления трансформатора при коротком замыкании ,, и . Потери в обмотках указываются ваттметром. Приборы при КЗ подключается как на рисунке 2.1.3.
• Рисунок 1.1.2 Опыт ХХ.
• Рисунок 1.1.3 Опыт КЗ.
• 1.2 Расчет характеристик трансформатора
• Таблица 2.1- Расчетные данные трехфазного трансформатора

Тип трансформатора								Схема соединения и группа
ТС3-10/0,65	10	0,66	0,23	0,09	0,28	4,5	7,0	Y/Y0 - 0

• Где - номинальная мощность трансформатора;
• - номинальное линейное напряжение первичной обмотки;
• - номинальное линейное напряжение вторичной обмотки;
• - мощность потерь холостого хода;
• - -мощность потерь короткого замыкания;
• - напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки;
• - ток холостого хода в процентах от номинального фазного тока первичной, обмотки.
• 1.2.1 Электрическая схема соединения обмоток трансформатора
• Рисунок 1.1.1 Схема соединения трансформатора Y/Y0 - 0
• 1.2.2 Номинальные фазные напряжения.
• Так как первичная обмотка соединена в звезду, то номинальное фазное напряжение первичной обмотки равно:
• где группы соединения, в
• Вторичная обмотка соединена также в звезду, поэтому
• Подставим значения из таблицы данных:

• 1.2.3 Коэффициент трансформации
• Расчетный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора определяется отношением фазных напряжений в режиме холостого хода, которое практически равно отношению ЭДС, так как при разомкнутой цепи вторичной обмотки , а . Поэтому выражение для коэффициента трансформации можно записать как:
• где
• Подставим данные:
• 1.2.4 Номинальные линейные и фазные токи
• Номинальные линейные и фазные токи первичной и вторичной обмоток определяются по формуле:
• Где
• Так как соединение первичной обмотки , то
• Так как соединение вторичной обмотки , то
• Найдём линейные токи:
• 1.2.5 Изменение напряжения
• Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузках, равных: в= 0; 0,2; 0,4;. 0,6; 0,8; 1,0 и = 0,8. Построим внешнюю характеристику трансформатора.
• Величину можно рассчитать по заданному коэффициенту нагрузки в, коэффициенту мощности и напряжению короткого замыкания , указываемого в паспорте трансформатора при неизменном напряжении на зажимах первичной обмотки. Воспользуемся формулой:
• где
• в -коэффициент нагрузки
• Активная составляющая напряжения короткого замыкания определяется по формуле:
• Где -напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки, В
• Угол между активным и полным сопротивлениями короткого замыкания находится по формуле:
• Где
• Полное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора определяется по формуле:
• где
• Напряжение короткого замыкания в вольтах можно определить по формуле:
• где
• напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки
• Подставим данные в формулу, получим:

• Полное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора:
• Активное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора определяется по формуле:
• где
• Подставим данные:
• Найдём угол между активным и полным сопротивлениями короткого замыкания:
• Угол между реактивным и полным сопротивление короткого замыкания, то есть можно выразить через :
• Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
• Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
• Подставим все полученные данные в формулу 2.4 и получим:
• Напряжение на зажимах вторичной обмотки при различных нагрузках определяется по формуле:
• Где
• Подставим данные:
• График внешней характеристики представлен на рисунке 1.2.2.
• 1.2.6 Коэффициент полезного действия трансформатора
• Коэффициент полезного действия з трансформатора при активно-индуктивной нагрузке c 0,8 и при нагрузках, равных: в = 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0, Построим характеристику
• Коэффициент полезного действия з трансформатора при активно-индуктивной нагрузке определяется по формуле:
• где
• Подставим все данные и получим:
• Полученные значения сведем в таблицу 1.2
• График зависимости КПД от жесткости представлен на рисунке 1.2.3.
• Таблица 1.2-Результаты расчетов

0	0	0	132,8
0,05	0,815	-	-
0,1	0,896	-	-
0,2	0,94	0,779	131,765
0,4	0,9596	1,558	130,73
0,6	0,9618	2,336	129,698
0,8	0,9596	3,116	128,662
1	0,9558	3,894	127,629

• Рисунок 1.2.2 Изменение напряжения
• Рисунок 1.2.3 КПД трансформатора при активно-индуктивной нагрузке
• 1.2.7 Нагрузку, при которой КПД трансформатора имеет наибольшее значение
• КПД достигает максимального значения при такой нагрузке, когда магнитные потери равны электрическим потерям в обмотке .
• Отсюда
• Подставив полученное значение коэффициента, нагрузки в формулу КПД получим его максимальное значение по формуле 2.11:
• 1.3 Исследовательская часть трансформатора
• 1. Возможно ли присоединение к зажимам вторичной обмотки заданного Вам трансформатора несимметричной нагрузки?
• Да возможно.
• При соединении обмоток Y/Y0 - 0 токи нулевой последовательности всегда протекают в первичной обмотке при этом замыкаясь на вторичной обмотке.
• 2. Объясните смысл понятия "Группа соединения обмоток" и его условное обозначение в Вашем варианте.
• Группа соединения обмоток трансформатора характеризуется угловым смещением векторов линейных ЭДС обмотки НН по отношению к векторам линейных ЭДС обмотки ВН. Группа обозначается числом, которое следует умножить на 30, для получения угла смещения в градусах. Угол смещения всегда отсчитывается от вектора линейной ЭДС ВН по часовой стрелке до одноименного ЭДС НН.
• Для определения группы соединений используют аналогию со стрелочными часами. Минутная стрелка часов совмещается с напряжением ВН и устанавливается на цифре 0 (12), а часовая совмещается с одноименным напряжением НН и указывает на группу соединения
• Условное обозначение Y/Y0 - 0 показывает, что обмотки соединены по схеме «звезда с нулевой фазой- ноль», группа соединения 11, которая указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе от вектора ЭДС ВН на угол или 0 градусов.
• 3. Влияние изменения числа витков первичной обмотки понижающего трансформатора при неизменном первичном напряжении на коэффициент трансформации n и напряжение на зажимах вторичной обмотки.
• Коэффициентом трансформации называется отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения. При практических расчетах коэффициент трансформации принимают равным отношению номинальных напряжений обмоток ВН и НН:
• где, U1 - напряжение первичной обмотки;
• U2 - напряжение вторичной обмотки;
• w1 -число витков первичной обмотки;
• w2 - число витков вторичной обмотки.
• Коэффициент трансформации является одной из важнейшей характеристики понижающего трансформатора- где коэффициент трансформации должен быть n>1. Чтобы это условие выполнялось вторичная обмотка должна содержать меньшее число витков, чем первичная (.
• Из формулы коэффициента трансформации следует, что увеличивая число витков на первичной обмотке понижающего трансформатора при неизменном напряжении напряжение на зажимах вторичной обмотки будет уменьшаться, а коэффициент трансформации увеличиваться, а при уменьшении числа витков на первичной обмотке увеличиться, n-уменьшится.
• 4. Исследование влияния характера нагрузки потребителей на изменение вторичного напряжения трансформатора при (активная нагрузка) и (активно-индуктивная нагрузка).
• На основе формул из пункта 2.2.5 рассчитаем два вида нагрузки :чисто активную и активно-индуктивную.
• Приведём расчёты при активной нагрузке (=1). В таком случае угол между реактивным и полным сопротивлением равен ,значит
• При в=0:
• При в=0.2: 0, ,
• При в=0.4: 1,12 ,
• При в=0.6: 1,68 , В
• При в=0.8: 2,24 , В
• При в=1: 2,8 , В
• Приведём расчёты для нагрузки, при которой =0,6, а, следовательно,
• При в=0:
• По полученным результатам построить внешние характеристики на одном графике (рисунок 1.3) с характеристикой, соответствующей .

• Рисунок 1.3 Внешние характеристики трансформатора при разных cosц
• 5.Как изменится вторичное напряжение и ток холостого хода , если первичную обмотку трансформатора вместо "звезды" соединить "треугольником"?
• При изменение схемы первичной обмотки вместо «звезды» в «треугольник», напряжение U1 первичной обмотки будет увеличено в раз и будет равно линейному. При неизменном числе витков на первичной и вторичной обмотки, то напряжение U2 на вторичной обмотки так же будет увеличено в раз.
• 2. Асинхронный двигатель
• 2.1 Теоретическая часть асинхронный двигателя
• 2.1.1 История создания и применение асинхронного двигателя
• Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным.
• Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (U.S. Patent 0 381 968|заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.
• Доливо-Добровольский установил, что для создания вращающегося магнитного поля - основы работы асинхронного двигателя - технически и экономически целесообразно применение симметричной трехфазной магнитной системы, со сдвигом фаз на 120 электрических градусов. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изготовленный Доливо-Добровольским в 1889 г., продемонстрировал высокую эффективность и неоспоримые преимущества перед двухфазными двигателями Феррариса и Тесла. По словам изобретателя: "уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие… попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении. Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей". Несмотря на это отношение к переменному току у многих оставалось сдержанным. Корифей электротехники Т. Эдисон отказался даже осмотреть новое изобретение, заявив: «Нет, нет, переменный ток - это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». Вскоре Доливо-Добровольскому удалось решить все основные проблемы, связанные с конструкцией двигателя, устройство которого до настоящего времени принципиально не менялось.
• Первой демонстрацией практического применения асинхронного двигателя и трехфазной системы стала Международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне. Выставку с гидроэлектростанцией на реке Неккар в городе Лауфен соединила 170-километровая линия электропередачи. А 25 августа на выставке зажглась тысяча электроламп, питаемых током от Лауфенской электростанции. Затем был пущен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, приводивший в действие декоративный дестиметровый водопад. Разработки Доливо-Добровольского вскоре были внедрены в производство. Простой, экономичный и надежный двигатель переменного тока, получил широкое распространение и послужил стимулом для развития техники переменных токов и электроэнергетики в целом.
• Асинхронные двигатели активно используются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они потребляют примерно 70% всей энергии, предназначенной для преобразования электричества во вращательное или поступательное движение. Асинхронные двигатели зарекомендовали себя наиболее эффективными в качестве электрической тяги, без которой не обходятся многие технологические операции.
• Основной областью применения АД вплоть до недавнего времени являлся нерегулируемый электропривод. В последние годы в связи с разработкой и выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока.[7]
• Достоинства АД:

· Возможность прямого подключения к питающей сети без пускорегулирующих приборов при коэффициенте загрузки ?1.

· Самостоятельный запуск группы асинхронных двигателей одной или нескольких питающих секций при кратковременном обесточивании и последующем возобновлении питания под воздействием станционной автоматики.

· Простота обслуживания и эксплуатации, доступная цена, высокая надежность, определяющая широкое применение в промышленности с целью привода механизмов, устойчивых к перепадам электроэнергии, пусковых показателей, скольжения.

· Безотказная работа на участках, размещенных на высоте над уровнем моря 1 км, при диапазоне температур - 40°С и +40 °С, влажности воздуха при +25°С не более 98%, запыленности -- 10 мг/м3.

· Способность принимать различные механические перегрузки без существенных изменений КПД или нарушения стабильности работы.

· Полная автоматизация работы.

· Отсутствие необходимости проводить сложное и дорогостоящее обслуживание.

· Асинхронным двигателем проводят комплектацию редукторов (червячных и цилиндрических). Механизм способствует уменьшению угловых скоростей вала и повышению крутящих моментов.

· Широкий выбор конструкций. В зависимости от типа обмотки, различают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами)

Недостатки АД:

· Чувствительностью к перепадам напряжения.

· Высокими пусковыми токами при низких коэффициентах скольжений.

· Необходимостью использования преобразователей частоты, пусковых реостатов для улучшения характеристик электромотора.

· Небольшими показателями синхронной частоты вращения -- не превышает 3000 об/мин. Для увеличения скорости потребуется редуктор или турбопривод.

· Сложной регулировкой производительности механизмов, вращающихся под воздействием асинхронного электродвигателя.

2.1.2 Устройство и принцип работы АД

Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле.

В конструкцию АД входят следующие элементы:

· Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.

· Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».

· Конструктивные детали - вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов - обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.

2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток

3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.

4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.

5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.

6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя. [8]

На рис. 2.1.1 показана конструкция AД с коротко замкнутым ротором.

Рисунок 2.1.1 Конструкция АД.

2.1.3 Пуск АД

Процесс пуска для электродвигателя любого типа является наиболее тяжелым режимом работы. Ударные значения тока и момента в пусковом режиме АД могут достигать в отдельных случаях 10-кратных по отношению к номинальным величинам. В среднем кратность пусковых токов и моментов составляет 5-7 значений номинальных величин. Высокая кратность указанных величин обусловлена в первую очередь особенностями протекания электромагнитных переходных процессов в асинхронном электродвигателе при пуске.

При частых пусках рабочий ресурс электродвигателей значительно сокращается.

Для мощных электродвигателей переменного тока количество пусков без пусковых устройств лимитировано, т. е. через определенное число пусков осуществляется капитальный ремонт с заменой изоляции обмоток.

Ограничение пускового тока возможно:

1.За счет понижения напряжения

2.За счет повышения сопротивлений в статорной и роторной цепях

Основные способы пуска АД:

1.Пуск непосредственным включением в сеть (прямым включением в сеть)

2.Пуск при пониженном напряжении (переключение со схемы соединения обмотки статора «треугольник» на схему «звезда», применением тиристорных преобразователей напряжения)

3.Пуск при ограничении пускового тока (включением токоограничивающих сопротивлений, реакторов и автотрансформаторов)

4.Реостатный пуск АД с фазным ротором

5.Частотный пуск

6.Пуск с применением специальных схем включения АД

Прямой пуск. Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l, а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора максимальны. По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока 5-7,причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться. С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Способ пуска асинхронного двигателя переключением со звезды на треугольник, применяется в установках, где нагрузка на валу минимальна или вообще отсутствует. Для того чтобы осуществить данный вид пуска, нужно чтобы основной схемой включения двигателя был треугольник. В начальный момент времени обмотка соединяется по схеме звезда, запускается, происходит разгон до некоторого значения, а затем переключают на треугольник. Таким образом, добиваются уменьшения токов в момент пуска. Но, с уменьшением токов, уменьшаются и моменты, именно поэтому не рекомендуется использовать этот способ для двигателя с нагрузкой на валу. Схема подключения показана на рисунке 2.1.2.

При этом напряжение АД уменьшается в раз, а пусковой ток и пусковой момент понижаются в 3 раза.

Рисунок 2.1.2 Пуск АД при переключении обмоток статора со схемы «треугольник» на схему «звезда» (на время пуска).

Для улучшения пусковых характеристик АД выполняют реостатное регулирование с фазным ротором. Пуск АД с фазным ротором производят вручную или автоматически.

Ручной пуск осуществляют с помощью пускового реостата. При заданном моменте переходном переход с одной характеристики на другую происходит в момент исключения соответствующей ступени реостата (его сопротивление уменьшается).

При пуске АД сопротивление пускового реостата Rд2 выбирается так, чтобы пусковой ток не превышал допустимого значенияи чтобы пусковой момент АД был равен максимальному.

Затем выводится первая ступень пускового реостата и его сопротивление уменьшается до величины Rд1. При этом двигатель переходит на следующую характеристику и т.д. до полного вывода пускового реостата Rд=0.

Введение реостата в цепь ротора позволяет:

1) уменьшить пусковой ток двигателя;

2) увеличить пусковой момент двигателя.

Когда двигатель разгонится до скорости 30-40% номинальной, отключают первую ступень. Двигатель с броском тока продолжает разгоняться, и при скорости 60-70% номинальной отключают вторую ступень. Двигатель после отключения резисторов R и R продолжает разгоняться до номинальной скорости.

Улучшение пусковых характеристик за счет увеличения активного сопротивления ротора используется в короткозамкнутых асинхронных двигателях со специальными обмотками на роторе. Наибольшее применение нашли двигатели с глубокими пазами на роторе и двигатели с двойной клеткой на роторе.

Двигатели с глубокими пазами на роторе. У таких двигателей высота паза ротора в несколько раз больше его ширины. В пазах располагается узкий высокий проводник. Идея улучшения пусковых характеристик в таком двигателе основана на том, что при скольжениях, близких к единице, когда частота тока в роторе примерно равна частоте сети, в этих проводниках будет наблюдаться эффект вытеснения тока, в результате которого активное сопротивление проводника возрастает, а индуктивное уменьшается. Вытеснение тока в проводниках происходит в результате действия потока пазового рассеяния Фуп. Поэтому большая часть тока пройдет по верхним элементам.

По мере разгона двигателя частота тока в роторе уменьшается. Явление вытеснения тока при этом ослабевает и распределение тока по высоте проводника выравнивается. По окончании пуска ток в проводнике распределяется практически равномерно, а активное сопротивление обмотки ротора уменьшается по сравнению с его значением при s=1.

У двигателей с глубоким пазом увеличивается кратность начального пускового момента и уменьшается кратность начального пускового тока.

На рисунке 2.1.3 показаны разновидности пазов, применяемых для двухклеточных роторов двигателей.

Рисунок 2.1.3 Разновидность пазов.

В верхнюю часть паза, расположенную ближе к зазору и имеющую меньшее поперечное сечение, закладываются проводники одной клетки П, а в нижнюю - другой Р. Кроме того, проводники верхней клетки выполняют из материала с большим удельным сопротивлением (латунь, бронза), чем проводники нижней (медь). Поэтому верхняя клетка имеет большее активное сопротивление, чем нижняя.

Каждая клетка по торцам имеет свои короткозамыкающие кольца.

В первый момент пуска, когда частота тока в роторе f2?f1, полное сопротивление нижней клетки из-за ее большого индуктивного сопротивления будет значительно выше полного сопротивления верхней клетки. Вследствие этого при одинаковых ЭДС, индуцируемых основным вращающимся полем в проводниках паза ротора, в верхней клетке ток будет больше, чем в нижней. Так как эта клетка имеет большое активное сопротивление, то вращающий момент, создаваемый этим током при пуске, также будет большим.

Двигатели с двойной клеткой применяются в установках с тяжелыми условиями пуска. Однако, как и у двигателя с глубоким пазом, в этом двигателе улучшение пусковых характеристик влечет за собой некоторое ухудшение рабочих характеристик.[9]

2.1.4 Регулирование скорости АД

Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.

1)Реостатное регулирование.

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором. При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление (рисунок 3.1.4 а). 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.

Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

2)Регулирование изменение напряжения.

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя(рисунок 3.1.4 б) изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю а скольжение от него не зависит.

Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до .

Так же для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы. 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. [10]

3)Регулирование изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости АД(рисунок 3,1,4 в) заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании -- на рис. 6.

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции. [11]

4)Регулирование 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.

Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов (рисунок 2.1.5). В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.[12]

Рисунок 2.1.4 Способы регулирования скорости вращения

Рисунок 2.1.5 Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а - с одинарной звезды на двойную; б - с треугольника на двойную звезду.

2.2 Расчет и исследование характеристик асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, паспортными данными, приведенными в табл. 2.1, подключается к трехфазной сети переменного тока с линейным напряжением 380 В, частотой 50 Гц.

Таблица 2.1 - Расчетные данные для исследования характеристик асинхронного двигателя.

, кВТ	,об/мин
75	980	92,5	0,89	7	1,1	1,8

где ,- номинальное напряжение;

- номинальная мощность на валу двигателя;

- номинальная частота вращения;

- номинальный коэффициент полезного действия (КПД);

- номинальный коэффициент мощности;

- кратность пускового тока;

- кратность пускового момента;

- кратность максимального момента;

2.2.1 Электрическую схема включения обмотки статора асинхронного двигателя

Электрическую схема включения обмотки статора асинхронного двигателя при линейном напряжении 380 В (рисунок 2.1)

2.2.2 Активная, реактивная и полная мощности двигателя.

Активная мощность потребляемая двигателем из сети при номинальном режиме найдём по формуле:



Рисунок 2.1 Электрическая схема включения обмотки статора асинхронного двигателя.

Где , Вт

- номинальный коэффициент полезного действия

Подставим табличные данный и получим:

Полная мощность, потребляемая двигателем из сети при номинальном режиме, найдём по формуле:

Где

Подставим данные и получим:

Реактивную мощность асинхронного двигателя можно найти исходя из активной и полной мощностей по формуле

Где S- Полная мощность двигателя, ВА

Реактивная мощность получается равной:

2.2.3 Номинального и пускового токов; номинального, пускового и максимального моментов двигателя.

Номинальный ток асинхронного двигателя можно найти, используя формулу:

Где

Подставим данные и получим номинальный ток:

Пусковой ток найдём из таблицы данных. По ней видно, что пусковой ток в 4 раза превышает номинальный ток.

Номинальный момент асинхронного двигателя определим по формуле:



Где

Номинальная скорость двигателя определим по формуле, схожей из формулы 1.5, только

Теперь можем найти номинальный момент:

Пусковой и критический момент найдем из таблицы данных.

2.2.4 Частоты вращения магнитного поля статора, номинального и критического скольжений

Найдём число пар полюсов. Известно, что частота вращения магнитного поля статора при заданной частоте питающего напряжения обратно пропорциональна числу пар полюсов обмотки статора р. Это число, если оно не задано, может быть определено из соотношения по формуле:

Где

Подставим данные и получим :

Понятно, что число пар полюсов обмотки статора должно быть целым. Поэтому число, полученное по выражению, округляют до ближайшего целого.

По числу пар полюсов можно определить частоту вращения магнитного поля статора по формуле:

Где

P - число пар полюсов

Частота вращения магнитного поля получается равной:

Зная физический смысл понятия "скольжение", а также частоту вращения магнитного поля статора и номинальную частоту вращения вала ротора, определяют номинальное скольжение по формуле(3.8):

Где

Номинальное скольжение равно:

Определим величину критического скольжения по формуле(3.8):

Где

Критическое скольжение равно:

2.2.5 Полные потери мощности в двигателе при номинальном режиме работы

Полные потери мощности в двигателе при номинальном режиме работы определяются по формуле(3.10):

Где

Подставим табличный данные:

2.2.6 Расчёт зависимости частоты вращения ротора двигателя от величины механического момента, приложенного к его валу

Зависимость частоты ЭДС и тока ротора от скольжения можно получить, используя соотношение по формуле:

где s-скольжение

Для расчета механической характеристики асинхронного двигателя часто применяется упрощенная формула Клосса, связывающая между собой вращающий момент и скольжение.



Где

2.2.7 Исследование зависимости частоты ЭДС и тока, электрических потерь в роторе от скольжения

Где

Сведём все расчеты в таблицу 2.2

Таблица 2.2-Результаты расчёта

	0	0,04	0,08	0,16	0,2	0,24	0,28	1
	0	1166,74	1292,137	927,909	783,334	672,972	587,798	172,974
	104,667	100,48	98,293	87,92	83,733	79,547	75,36	0
	0	2	4	8	10	12	14	50
	0	3243,24	6486,48	12972,97	16216,2	19459,46	22702,7	81081,08

Механические характеристики представлены на рисунках 2.2 и 2.5

Графики зависимости частоты и потерь от скольжение представлен на рисунках 2.3 и 2.4.



Рисунок 3.2- Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Рисунок 3.3 Зависимость частоты от скольжения.



Рисунок 3.4 -Зависимость потерь от скольжения.

Рисунок 3.5 Зависимость частоты вращения ротора двигателя от величины механического момента, приложенного к его валу.

трансформатор ток асинхронный двигатель

Заключение

Электрические машины являются основными элементами энергетических и электрических установок. Не одно производство на данный момент не обходится без электрических машин.

Трансформаторы являются одним из основных видов электрооборудования, через них передается практически вся электроэнергия, вырабатываемая электрическими станциями, без них не может обойтись ни одна современная электротехническая установка. Поэтому им принадлежит ведущая роль в бесперебойном электроснабжении потребителей электроэнергии. Благодаря им можно получать электрическую энергию при наиболее удобном напряжении, передавать ее с минимальными потерями напряжения и использовать при напряжении, рассчитанном на любого возможного потребителя. Основная роль трансформаторов лежит в развитии энергетики и электрификации народного хозяйства. Несмотря на то что с момента создания первых трансформаторов прошло более века с четвертью, теория трансформаторов и методы их расчета с применением вычислительной техники продолжают развиваться, а их конструкция, технология изготовления и методы испытаний -- совершенствоваться.