Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости от полезной мощности на валу Р ₂ таких параметров как момент, частота вращения, ток статора, КПД и cosj₁ (рис.6.19). Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелинейному закону, что связано с магнитной системой двигателя и при Р2 = 0 определяется током холостого хода I _1х, составляющего до 40 % его номинального значения.

Расчет механической характеристики двигателя

По паспортным данным

Основными точками механической характеристики асинхронного двигателя являются: номинальный, пусковой и максимальный моменты, а также соответствующие им частоты вращения. Покажем, как, пользуясь информацией, приведенной в паспорте двигателя, можно рассчитать характерные точки механической характеристики. На щитке двигателя приведены значе­ния номинальной механической мощности и частоты вращения ротора. По этим данным можно вычислить значения номинального момента на валу двигателя:

М _н = Р _2н / Ω_Н

и номинального скольжения:  

,

где Ω_{Н =} π n /30 - круговая частота вращения ротора.

Для расчетов значений пускового и максимального моментов следует взять справочник по электрическим машинам и найти в нем для дан­ного двигателя два параметра: кратность пускового момента К_П и кратность максимального момента К _М. Значения коэффициентов определяются соотношением соответствующих моментов к его но­минальному значению:

                          К _П = М _П / М _Н, К _М = М _КР / М _Н.

Из приведенных соотношений, находим значения пускового и максимального моментов: М _П = К _П М _М = К _М М _Н. 

Скольжение, соответствующее пусковому моменту, равно единице. Следовательно, n = 0 об/мин, т. е. ротор неподвижен. Скольжение, соответствующее максимальному (критическому) моменту, вычис­ляется по формуле

Частота вращения ротора (об / мин) асинхронного двигателя может быть вычислена по формуле

n = n ₁(1 - s).

 

Пуск асинхронных двигателей

Пусковые свойства асинхронного двигателя определяются особен­ностями его конструкции, в частности, устройством ротора.   

В большинстве случаев асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) пус­кают в ход прямым включением обмоток статора к питающей сети. Этот способ пуска прост и быстр. Для его осуществления необходим лишь простейший коммутирующий аппарат - выключатель. Однако следует помнить, что при прямом включении двигателя кратность пускового тока составляет от 4 до 7 номинального значения тока. Кратко­временный толчок пускового тока безопасен для двигателя. Однако он вызывает кратковременное понижение напряжения в сети, что может оказать неблагоприятное влияние на работу других потребителей электрической энергии. Следует иметь в виду еще один недостаток прямого пуска асинхронного двигателя - это кратность пускового момента, которая составляет 1,1...1,4.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при пуске имеет большую силу тока при относительно небольшом вращающем моменте. Для уменьшения величин пусковых токов двигатели с короткозамкнутым ротором пускают в ход при пониженном напряжении пи­тающей сети.

 

 

Практическая реализация данного способа требует не только дополнительных элементов, например регулируемых трехфазных трансформаторов, но и приводит к снижению величины пускового момента. Наибольшее распространение получил способ, при котором двигатель, работающий при соединении обмоток статора по схеме «треугольник», пускают в ход без нагрузки путем переключения схемы соединения его об­моток. (Рис.8.20). При пуске обмотки статора соединяют по схеме «звезда», а при достижении им частоты вращения, близкой к номинальной, при помощи специального переключателя обмотки соединяют по схеме «треугольник» и нагружают двигатель.

 

Для регулирования скорости асинхронного двигатели с короткозамкнутым ротором возможны три способа: 1) изменением частоты питающего напряжения f (изменением синхронной скорости вращения магнитного поля статора n ₁), 2) изменением скольжения s 3) переключением числа пар полюсов p.

Пусковые свойства асинхронного двигателя с фазным ротором существенно (АДФР) от­личаются от двигателя с короткозамкнутым ротором за счет возмож­ности включения в цепь ротора внешнего пускового реостата (рис.8.22, а)Сопротивление каждой фазы пускового реостата выбирается таким, чтобы обеспечить при пуске максимальный момент. По мере разго­на ротора уменьшаются скольжение, а вместе с ним ЭДС и сила тока ротора, вследствие чего падает и вращающий момент. Для получения вращающего момента, близкого к максимальному, сопротив­ление пускового реостата постепенно уменьшают. Наконец, когда ротор двигателя достигает нормальной скорости, сопротивления пусковых реостатов замыкаются накоротко.

Добавочное сопротивление, включенное в цепь ротора, изменяет характер зависимости вращающего момента от скольжения путем смещения максимума момента в сторону большего скольжения. Такая механическая характеристика называется искусственной (рис.8.22, б.).

Численное значение критического скольжения искусственной характеристики может быть оценено по формуле

Значение добавочного сопротивления (Ом), которое необходимо включить в цепь фазы ротора для обеспечения заданного пускового момента, рассчитывается как

где r ₂ - активное сопротивление фазы обмотки ротора, опреде­ляемое выражением

,

где Е _{2 К} - линейное значение ЭДС обмотки ротора, 1 _2Н - номинальное значение тока в обмотке ротора.

Численные значения ЭДС и тока в обмотке ротора приводятся в каталогах на асинхронные двигатели.

Выбор двигателя

 

Расчетные формулы для выбора двигателя имеют вид:

М = Р ₂/ n; Р ₁ = ; Р ₂ = h Р ₁.

Выбор двигателя по каталогу осуществляется следующим образом. По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружающей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и высоте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяются необходимая перегрузочная способность, КПД, масса и момент инерции.

Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения, для крановых механизмов – двигатели с повышенным скольжением и т.д. Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением.

В бытовых приборах используются однофазные двигатели. В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин.

Микромашины используются также в информационных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в системах автоматики и телемеханики. Одним из примеров является сельсин, предназначенный для передачи на расстояние угловых перемещений валов, механически не связанных друг с другом.

 

      Пример

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, подключенный к трехфазной сети переменного тока частой f = 50 Гц, имеет следующие номинальные данные, приведенные в табл. 8: мощность на валу Р _2Н, линейное напряжение U _1Н, схема соединения обмоток статора, частота вращения ротора n _Н, коэффициент мощности cosj_н , кратность критического К _м  и пускового К _п моментов.

Задание:

1. Начертить схему включения двигателя, пояснить принцип его работы и назначение элементов схемы.

2. Определить число пар полюсов обмотки статора; номинальное, критическое пусковое скольжение и соответствующие им моменты на валу; возможность пуска двигателя с номинальной нагрузкой при снижении номинального напряжения на 10 %.

Данные для расчета приведены в табл.6.2.1.

Таблица 8.2.1.

Параметры АДКР
P 2н, кBт	1,2
U 1н, B	220
Схема соединения	∆
n н  ×10^-1 об/мин	288
cos j н	0,87
К м	2,4
К п	1,4

 (в задании сказано,что n _н  ×10^-1 об/мин надо умножить на 10)?????                                                                                                

Алгоритм решения задачи

 

Для определения числа пар полюсов обмотки статора воспользуемся формулой, устанавливающей связь синхронной частоты вращения магнитного поля статора n ₁,(об/мин) с частотой питающего напряжения f и числом пар полюсов обмотки

n ₁ = 60 f / p.

Число пар полюсов р вычислим, приняв n ₁ = n _н, по соотношению:

р = 60 f / n _н,

беря во внимание по конструктивным соображениям только целую часть.

Скольжение ротора в номинальном режиме определяется по формуле:

s = (n ₁ - n)/ n ₁

Вращающий момент на валу, развиваемый двигателем в номинальном режиме вычисляется по формуле

М _н = 9550 ,

где Р _2н выражено в кВт, М _н - Н×м,

Скольжение ротора в критическом режиме вычисляется по формуле:

,

т. е. частота вращения ротора в этом режиме (об/мин) равна

.

Вращающий момент, развиваемый двигателем в критическом режиме работы

М _кр = К _м × М _{н .}

При пуске двигателя в ход частота вращения ротора n _п = 0, поэтому скольжение ротора s _п = 1.

Вращающий момент, развиваемый двигателем в момент пуска

М _п = К _п × М _н.

Величина этого момента определяет возможность пуска двигателя с номинальным моментом, если М _п > М _н.В режиме холостого хода величина этого момента, с последующим увеличением нагрузки на валу, если М _п < М _н

Вращающий момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату приложенного напряжения. При номинальном напряжении эта зависимость определяется выражением.

где С _м - постоянный коэффициент, определяемый конструктивными особенностями машины.

Если напряжение на зажимах двигателя изменять, например,

в сторону уменьшения, то будет изменяться и величина вращающего

момента на валу двигателя. Например, при U = 0,9 U _н, тогда

.

Вычислив величину момента на валу, следует определить значение пускового момента двигателя при пониженном напряжении:

М _п = К _м× М

и сделать вывод о возможности пуска двигателя в ход.

 

Контрольные вопросы

1. В асинхронном двигателе вращающееся электромагнитное поле, какого элемента, называют основным?

2.Как называется режим асинхронного двигателя, при котором в результате перегрузки он останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска, называется

3.Чему равно номинальное скольжение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

4.Чем АДКЗ отличается от АДФР?

5. Как производится пуск АДФР?

 

Синхронные машины