Параллельная работа синхронных генераторов

• Название: Параллельная работа синхронных генераторов
• Дата: 17.05.2023
• Размер: 3.19 Mb.
• Имя файла: mashiny_2_chast_ (1).doc
• Тип: Документы; #1138650
• страница: 6 из 11

ГЛАВА IX АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

§ 9.1. Принцип действия асинхронных двигателей

Асинхронный трехфазный двигатель был изобретен в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским и с тех пор получил широкое распространение. Этот двигатель прост по конструкции, экономичен , и надежен в работе.

Синхронные двигатели широко применяются в электрическом э различных машин и механизмов, подъемно-транспортных средств, вентиляторов, насосов, гребных винтов и т. п. ,асинхронные двигатели изготовляются мощностью от долей ватта до тысяч киловатт. Они могут быть трехфазными и однофаз­ными. В основе рабочего процесса асинхронного двигателя лежит способность многофазного переменного тока создавать вращающе­еся магнитное поле. Рассмотрим принцип действия трехфазного асинхронного двигателя.

В пазах неподвижной части машины — статора размещается трехфазная обмотка. Оси каждой из фазных обмоток сдвинуты от­носительно друг друга в пространстве на 120 эл. градусов. Извест­но, что при подключении трехфазной обмотки к сети возникает




вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого опре­деляется по формуле

В расточке статора размещается враща­ющаяся часть машины — ротор с замкну­той обмоткой. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ро­тора и наводит в них э. д. с. Токи в замкнутой обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, созда­ют электромагнитный момент, под дей­ствием которого ротор приходит во вра­щение. На рис. 9.1 вращающееся магнит­ное поле условно показано двумя полюса­ми N и S, а его направление вращения — стрелкой.

Направление токов в замкнутой обмот­ке ротора определено по правилу правой руки. Направление действующих на ротор электромагнитных сил и создаваемого ими вращающего момента определяется по правилу левой руки. Ротор двигателя вращается в том же направлении, что и поле. Однако скорость вращения ротора п_г несколько меньше синхронной скорости вращения вращающегося магнитного поля л₄. Если бы этого не было, то в обмотке ротора не наводилась бы э. д. с. и отсутствовало бы взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется величиной, называе­мой скольжением,

(9.1)



Скольжение является одним из важнейших параметров асин­хронного двигателя. У современных асинхронных двигателей трех­фазного переменного тока скольжение при номинальной нагрузки составляет от 1 до 6%.

Скорость вращения ротора можно выразить через частоту тока в сети и скольжение, пользуясь соотношением (9.1):

(9.2)



Наводимые в.обмотке ротора э. д. с. и токи имеют частоту, ко­торую называют частотой скольжения:

Если числитель и знаменатель правой части этого уравнения ум­ножить на n₁то
(9.3)



т. е. частота тока в роторе равна произведению частоты тока в сети на величину скольжения.

§ 9.2. Устройство асинхронных двигателей

Основными частями асинхронного двигателя переменного тока (рис. 9.2) являются неподвижный статор и вращающийся ротор. Как статор, так и ротор имеют обмотки из медных или алюминиевых проводников, уложенных в пазах.

Сердечник 2 статора запрессовывается в корпус / (станину). В пазах статора расположена трехфазная обмотка. С торцов статор имеет подшипниковые щиты 3, служащие опорой для вала ротора и защищающие внутреннюю часть машины от внешних воздействий. Конструктивно статор устроен так же, как и у синхронных машин. Обмотка статора 4 асинхронного двигателя подобна обмотке стато­ра синхронных машин (см. §6.6, рис. 6.9 и 6.10). Она может быть как однослойной, так и двухслойной. Назначение обмотки — соз­дать м. д. с. и передать электрическую энергию ротору для преоб­разования ее в механическую энергию вращения.

Ротор асинхронного двигателя в зависимости от типа обмотки может быть короткозамкнутый (рис. 9.2, а) или с контактными кольцами (рис. 9.2, б). И тот и другой роторы состоят из стального сердечника, насаженного на вал и собранного из отдельных листов электротехнической стали. В пазах ротора укладывается обмотка.

Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из медных или алю­миниевых стержней, соединенных между собой с торцов кольцами. В результате получается короткозамкнутая система. Очень часто при выполнении роторной обмотки пазы ротора в особой прессформе заливаются алюминием, причем одновременно отливаются и замыкающие кольца. Стержни с замыкающими их кольцами обра­зуют так называемую беличью клетку (рис. 9.3).

Обмотка ротора с контактными кольцами (см. рис. 9.2, б) выпол­няется, подобно обмотке статора, в виде трехфазных обмоток, сое­диняемых в звезду. Начала фазных обмоток выводятся к трем кон­тактным кольцам 8, насаженным на вал ротора и изолированным от него. При пуске двигателя последовательно в цепь обмотки рото­ра через контактные кольца и щетки включается трехфазный пус­ковой реостат. После пуска двигателя контактные кольца при- по­мощи специального устройства 9 соединяются между собой нако­ротко, и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.





§ 9.3. Электродвижущие силы и токи в обмотках статора и ротора при разомкнутом роторе

При прохождении переменного тока по трехфазной обмотке ста­тора возникает вращающееся магнитное поле, которое наводит в обмотках статора и ротора э. д. с, действующие значения которых соответственно равны:

для статора

(9.4)



для ротора



(9.5)

где k₁ и k₂— обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора;

fi и f₂— частоты э. д. с. статора и ротора, гц;

и — число последовательно соединенных витков обмотки одной фазы статора и ротора;

Ф — вращающийся магнитный поток, вб.
При неподвижном роторе (s=l) частоты fi и f₂ равны между собой, тогда отношение между э. д. с. статора и ротора



Это отношение аналогично отношению э. д. с. для трансформаторов. Действительно, асинхронный двигатель можно рассматривать как трансформатор: электромагнитные процессы, происходящие в нем, подобны процессам в трансформаторе.

Если при подключении асинхронного двигателя с контактными кольцами к сети обмотка ротора разомкнута, то двигатель подобен трансформатору при его работе в режиме холостого хода. Здесь пер­вичной является обмотка статора, а вторичной — обмотка непод­вижного ротора. Протекающий по трехфазной обмотке статора ток холостого хода I₀ создает вращающийся основной магнитный поток Ф, часть которого сцепляется с обеими обмотками и наводит в них э. д. с. E₁ и E₂. А другая часть потока Ф является потоком рассе­яния Ф_S; она наводит в обмотке статора э. д. с. рассеяния E_s=

= -jI₀x_1. Кроме того, при прохождении тока I₀ по обмотке статора с активным сопротивлением r₁ в ней возникает э. д. с. активного падения напряжения E_a1= - I₀r₁

Между подведенным к обмотке статора напряжением U₁ и э. д. с. E₁E_S1и E_a1существует зависимость, вытекающая из за­кона равновесия э. д. с, по которому подведенное напряжение U₁

и сумма э. д. с. E₁+E_S1 +E_a1в любой момент времени равны друг другу по величине, но противоположно направлены, т. е.

или




Векторная диаграмма асинхронного двигателя при разомкнутом роторе дана на рис. 9.4.

В асинхронном двигателе, ввиду нали­чия между статором и ротором воздушно­го зазора, намагничивающий ток I₀ больше, чем в трансформаторе, и состав­ляет у двигателей малой мощности 35— 50%, а у двигателей средней и большой мощности — 20-35% номинального тока. Сопротивления r₁ и x₁ у двигателей также больше, чем у трансформаторов. Поэтому э. д. с. E_S1и E_a1асинхронных двигате­лей составляют 2 — 8% от напряжения U₁ и пренебрегать ими нельзя.

Ток I₀ имеет две составляющие: индук­тивную (намагничивающую) I_{0 p}, отстаю­щую от U₁на 90°, и активную I_oa совпадающую с U₁ по фазе.
§ 9.4. Электродвижущие силы и токи в обмотках статора и ротора при коротком замыкании машины

Если ротор асинхронного двигателя заторможен и замкнут на­коротко, то в асинхронной машине имеют место явления, подобные явлениям режима короткого замыкания трансформатора (см. § 9-1). Когда обмотка ротора замкнута на сопротивление, по ней течет ток I₂.

Так же, как в трансформаторе, от совместного намагничивающего действия первичной и вторичной обмоток в двигателе установится такой поток Ф, который наведет в обмотке статора э. д. с, соответ­ствующую приложенному первичному напряжению. При этом гео­метрическая сумма м. д. с. первичной и вторичной обмоток F₁и F₂равняется по величине м. д. с. при холостой работе



При определении м.д.с. асинхронного двигателя, в отличие от трансформатора, надо иметь в виду, что число фаз m₁в статоре и m₂ в роторе может быть различным; кроме того, необходимо учесть обмоточные коэффициенты k₁и k₂. Тогда уравнение м. д. с. примет вид


Если разделить обе части полученного уравнения на m₁ k₁ то



При разомкнутом роторе I₂=0, и ток в обмотке статора является намагничивающим током, т. е. I₁=I₀.

При замыкании обмотки ротора накоротко, в случае заторможен­ного двигателя, можно подвести к первичной (статорной) обмотке пониженное напряжение, чтобы ток в статоре был равен своему но­минальному значению. В этом случае ток в роторе будет близок к своему номинальному значению, а намагничивающим током I₀ можно будет пренебречь. Тогда из (9.6) получим



откуда можно найти отношение токов, не обращая внимания на знак минус (см. гл. VII)

где k_l— коэффициент трансформации токов.

Отсюда видно, что приведенный ток ротора



При приведении активного и индуктивного сопротивлений r₂ и x₂ к обмотке статора исходят из того, что потери в меди приведен­ной и фактической обмоток ротора должны быть равны: m₂I’₂² r₂ =m₁(I’₂)² r’₂, а угол сдвига фаз между Е₂и током I₂ должен остаться неизменным.

Решая уравнение потерь в меди относительно r’₂получаем


Коэффициент k=k_ek_iявляется коэффициентом трансформации асинхронного двигателя

Угол сдвига фаз при приведении должен оставаться неизменным, и поэтому можно написать



откуда

Отсюда следует, что приведенные значения r’ и x’ прямо пропорциональны коэффициенту трансформации k асинхронного двигателя.

Так же, как и у трансформаторов, сопротивления r_K.₃=r_i+r₂' и х_к._а=х₁+x₂'называют активным и индуктивным сопротивлениями короткого замыкания или параметрами короткого замыкания асин­хронной машины.

Векторная диаграмма двигателя при коротком замыкании по­добна векторной диаграмме трансформатора (см. рис. 8.10). В опы­те короткого замыкания обычно напряжение U_K.₃=(0,15-=-0,25) U_a.