логика. Полежаев_П_М_ТПС-348_Исследование ассинхронных двигателей с коро. Исследование асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором
 Скачать 73.94 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный университет путей сообщения» ПЕРМСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА – филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ПИЖТ УрГУПС) МДК.01.01 Конструкция, техническое обслуживание и ремонт ЭПС Реферат Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ И ФАЗНЫМ РОТОРОМ Выполнил: студент группы ТПС-348 П.М. Полежаев Проверил: преподаватель В.В. Турпетко Пермь 2020 ЦЕЛЬ РАБОТЫОзнакомиться с конструкцией двигателя, изучить способы пуска трехфаз- ных асинхронных двигателей. Научиться реверсировать и останавливать двига- тель, а также снимать естественные и искусственные механические характери- стики, характеристики холостого хода и рабочего режима . УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙАсинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора отлична от скорости вращения поля. В ней использу- ется принцип воздействия вращающегося магнитного поля на короткозамкнутый виток. Магнитная система асинхронной машины состоит из двух стальных сер- дечников: наружного кольцеобразного неподвижного статора и внутреннего ци- линдрического вращающегося ротора. Машина имеет две обмотки, одна из ко- торых – первичная обмотка асинхронного двигателя – размещена в пазах на внутренней стороне сердечника статора, а другая – вторичная обмотка – размещена в пазах на внешней поверхности цилиндра ротора. Для уменьшения потерь на вихревые токи оба эти сердечника собираются из листовой электротехнической стали. При работе машины обмотка статора получает электрическую энергию из трехфазной сети; трехфазная система токов, проходящих по этой обмотке, соз- дает вращающееся магнитное поле, вызывающее в короткозамкнутой обмотке ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем создает вращающий момент, заставляя ротор вращаться со скоростью не равной скорости вращения поля и производить механическую работу. Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора. Роторы асинхронных машин изготовляются двух видов: короткозамкнутые и с контактными кольцами. Короткозамкнутые роторы проще по устройству и чаще применяются для двигателей небольшой мощности. Обмотка короткозамкнуто- го ротора представляет собой цилиндрическую клетку – так называемое “бели- чье колесо” – из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах кольцами из того же материала, что и стержни. Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы ротора. Применяется также способ заливки па- зов ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкаю- щих колец. Таким образом, короткозамкнутые двигатели проще по конструкции, а значит, дешевле. Однако, наряду с достоинствами они обладают и существен- ным недостатком – у них неудовлетворительный пусковой режим в сравнении с двигателями, имеющими фазный ротор. А именно, пусковой ток у них в 4-7 раз больше номинального, а пусковой момент слишком мал, меньше номинального. Ротор с контактными кольцами, называемый также фазным ротором, име- ет обмотку, выполненную из изолированного провода, такую же трехфазную, как и в статоре, которая соединяется обычно “звездой” и выводится к контакт- ным кольцам, расположенным на валу двигателя. По кольцам скользят щетки, через которые обмотки ротора соединяются с трехфазным реостатом. Такое уст- ройство дает возможность изменять активное сопротивление цепи ротора, что особенно важно при пуске двигателя. Следует отметить, что у асинхронного двигателя между его статором и ротором существует только магнитная связь, такая же, как между первичной и вторичной обмотками трансформатора. В асинхронном двигателе фазные об- мотки статора подобно первичной обмотке трансформатора получают энергию из трехфазной сети. Токи обмоток статора возбуждают в машине вращающееся магнитное поле, которое вращается относительно статора со скоростью n1: n1 60 f p, (1) и определяется частотой f переменного тока и количеством пар полюсов маг- нитного поля p. Причем количество пар полюсов магнитного поля p определя- ется из условия, что каждой паре полюсов вращаю-щегося магнитного поля соответствует три катушки на окружности статора. Если ротор неподвижен или вращается со скоростью n2 ну электромагнитной индукции в проводнике обмотки ротора наводится элек- тродвижущая сила (ЭДС) и индуктируется ток. Взаимодействие этого тока с полем статора образует на валу двигателя момент, который стремится повернуть ротор в направлении вращения поля (т.е. является вращающим моментом). Если этот момент достаточен для преодоления нагрузочного момента на валу, то дви- гатель приходит во вращение со скоростью n2 Скорость n2, с которой вращается ротор, должна непременно отличаться от скорости вращающегося магнитного поля n1, так как при n2=n1ротор непод- вижен относительно поля статора, ЭДС в обмотке ротора и ток равны нулю и отсутствует электромагнитный момент. Относительная скорость вращения поля равна разности скоростей вращения поля n1и ротора n2, т.е. n1-n2оборотов в ми- нуту. Отношение ее к скорости поля S n1n2 n1 или в процентах (2) S n1n2 100% (3) n1 называется скольжением асинхронного двигателя и является одной из наиболее важных величин, определяющих его работу. При пуске двигателя n2=0, и , следовательно, s=1; при работе скорость вращения двигателя зависит от нагрузки и определяется формулой n2=n1(1-s); при холостом ходе n2n1, но не может достигнуть n1. При номинальной нагрузке скольжение двигателя составляет 3-5 % , а номинальная скорость вращения ро- тора определяется как n2 ном n10,95 0,97. (4) ЗАВИСИМОСТЬ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТАОТ СКОЛЬЖЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанав- ливалось равновесие вращающего и тормозящего моментов: с увеличением на- грузки на валу двигателя должен соответственно возрастать и вращающий мо- мент. Это уравновешивание у работающего асинхронного двигателя осуществ- ляется следующим образом: при увеличении нагрузки на валу тормозящий мо- мент оказывается больше вращающего, вследствие чего скорость вращения ро- тора уменьшается – скольжение возрастает. Повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении. Однако зависимость вращающего момента от скольжения довольно слож- на. В частности, повышение скольжения вызывает увеличение вращающего мо- мента только при изменении скольжения в определенных пределах. За этими пределами нарушенное равновесие моментов не восстанавливается – двигатель останавливается. Чтобы определить условия максимума момента, выразим величину вра- щающего момента через параметры машины: 3p⎛ U 2 R ⎞ M ⎜1 2 ⎟ , (5) 1 s ⎜⎝ R12 x 2 s2 ⎟⎠ где U1- фазное напряжение обмоток статора; R2- приведенное активное сопротивление ротора; R1 , x1- активное и реактивное сопротивления статора; 3p/(2 )=Cм- постоянная двигателя; s - скольжение. Возьмем первую производную от момента по скольжению и приравняем ее к нулю: dM 0 . (6) dsИз этого выражения следует, что критическое скольжение sК, соответст- вующее максимальному (критическому) вращающему моменту, определяется как: SК R2 . (7) x2 Характерная кривая зависимости вращающего момента двигателя от скольжения показана на рис. 1. Максимум вращающего момента разделяет кривую вращающего момента на устойчивую часть от s=0 до sки неустойчивую часть от sкдо s=1, в пределах которой вращающий момент уменьшается с ростом скольжения. Ввиду того что максимальный вращающий момент является границей между устойчивым и не- устойчивым режимами работы двигателя, он называется также опрокидываю- щим моментом.  Рис. 1. Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения У работающего двигателя динамическое равновесие моментов автомати- чески восстанавливается при увеличении скольжения, пока тормозящий момент на валу меньше максимального момента двигателя. Но когда тормозящий мо- мент достиг значения максимального момента двигателя, тогда при дальнейшем увеличении нагрузки возрастание скольжения будет лишь уменьшать вращаю- щий момент; таким образом, динамическое равновесие, нарушенное увеличени- ем нагрузки, не восстанавливается, и вследствие преобладания тормозящего мо- мента двигатель останавливается. Выразим теперь величину максимального вращающего момента через па- раметры машины; для этого подставим выражение критического скольжения (7) в уравнение момента (5), что позволяет получить выражение максимального момента асинхронного двигателя в следующей простой форме: 3p U2 Mмак с 1 , (8) 2 2x2 где U1- фазное напряжение обмотки статора; 3p/(2 )=Cм- постоянная двигателя; x2- реактивное сопротивление ротора. Максимальный момент определяет перегрузочную способность асин- хронного двигателя. Выражение (8) показывает, что М макс не зависит от актив- ного сопротивления цепи ротора, в то же время критическое скольжение про- порционально этому сопротивлению (7). Следовательно, можно, увеличивая ак- тивное сопротивление цепи ротора, увеличивать критическое скольжение, не изменяя максимальный момент. Это используется для улучшения пусковых ус- ловий в двигателях с фазным ротором. 1 То обстоятельство, что максимальный вращающий момент пропорциона- лен U 2 , делает асинхронный двигатель весьма чувствительным к понижению напряжения питающей его сети. При значительном понижении U1двигатель при пуске может не начать вращаться. У асинхронных двигателей максимальный момент больше номинального в 2-2,5 раза. Если в уравнении вращающего момента (5) приравнять скольжение к еди- нице (s=1), мы получим выражение пускового момента, т.е. момента, развивае- мого двигателем в начале движения: 3p ⎛ U 2 R ⎞ M п ус к ⎜1 2 ⎟ . (9) 1 ⎜⎝ R12 x 2 ⎟⎠ Если нужно, чтобы пусковой момент был равен максимальному, т. е. что- бы при пуске двигатель развивал максимальный момент, то согласно (8) необ- ходимо выполнение условия : R2 x2 , п ри Sк 1. (10) Как уже указывалось, двигатель устойчиво работает только при измене- нии скольжения в пределах от нуля до скольжения, соответствующего макси- мальному; в этих условиях изменение нагрузки вызывает лишь небольшое изме- нение скорости вращения. Для целей электропривода большое значение имеет зависимость скорости вращения двигателя от нагрузки на валу n=F(M); эта зависимость носит назва- ние механической характеристики (рис.2). По форме своей она отличается от кривой M=F(s) только положением по отношению к координатным осям.  Рис. 2. Механическая характеристика асинхронного двигателя Как показывает кривая рис. 2, скорость асинхронного двигателя лишь не- значительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от ну- ля до максимального значения. Такая механическая характеристика называется жесткой. В остальной своей части механическую характеристику асинхронного двигателя нужно считать мягкой. Основным параметром, определяющим допустимую механическую пере- грузку двигателя, является кратность максимального (критического) момента: Mмак с Mн о м . (11) Кратность критического момента изменяется в пределах от 1,7 до 2,5. При перегрузке свыше максимального значения момента М макс двигатель входит в область неустойчивого режима (если тормозящий момент на валу постоянен) и останавливается. Это обстоятельство вынуждает выбирать двигатель таким об- разом, чтобы при кратковременной перегрузке не был превышен максимальный момент. Так как напряжение сети имеет значительные колебания, то наиболь- ший допустимый момент перегрузки принимают равным 0,85 М макс . Механическая характеристика, относящаяся к нормальным условиям ма- шины, называется естественной механической характеристикой в отличие от искусственной механической характеристики, какой является, например, ха- рактеристика двигателя с фазным ротором, когда в цепь ротора включено сопро- тивление реостата. СПОСОБЫ ПУСКА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙВажное практическое значение для оценки всех электродвигателей имеют их пусковые свойства. Эти свойства в основном определяются следующими ве- личинами: пусковым током I пуск ; пусковым моментом М пуск; плавностью и экономичностью пускового процесса; длительностью пуска. В каталогах обычно указывается кратность пусковой величины, т.е. ее от- ношение к номинальной величине k I п ус к и k M п ус к . (12) I Iн о м M М н ом Кратность пускового тока определяет перегрузку асинхронного двигателя по току при пуске и изменяется в пределах от 5 до 7. Кратность пускового мо- мента обычно изменяется в пределах от 1 до 1,8. Основными способами пуска асинхронного двигателя являются: а) включение в сеть двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора при U пуск= U ном (прямое включение); б) включение в сеть двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора при пони- женном напряжении U пуск < U ном ; в) пуск с помощью реостата, вводимого в цепь ротора двигателя с фазной об- моткой ротора. Короткозамкнутые двигатели небольшой и средней мощности разрешает- ся запускать при номинальном напряжении сети U ном, тогда как двигатели большой мощности пускаются при пониженном напряжении U пуск < U ном, чтобы снизить пусковой ток. При прямом пуске двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток превышает номинальный в 4-8 раз. Скачок пускового тока для двигателей боль- шой мощности вызывает снижение напряжения питающей сети, что плохо ска- зывается на работе других потребителей. Поэтому прямое включение в сеть асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором ограничивается. Такой пуск разрешается для двигателей, номинальная мощность которого составляет не более 25 % мощности питающего трансформатора. Существует два способа понижения напряжения у короткозамкнутых асинхронных двигателей: Переключение обмотки статора со “звезды” на “треугольник”. Понижение напряжения автотрансформатором. Первый способ применим, если в рабочем режиме обмотки статора соеди- нены “треугольником”. Этот способ и используется в настоящей работе. При пуске обмотки статора соединены “звездой” и статор рубильником включается в сеть. По достижении ротором установившейся скорости обмотки статора пере- ключаются на соединение “треугольник” – этим и заканчивается пусковой ре- жим. Рассмотрим подробнее этот способ пуска. Пусть U л –линейное напряже- ние; U и UΔ – фазные напряжения при соединении обмоток “звездой” и “тре- угольником”; I л , I ф , I л Δ , I ф Δ – пусковые токи в линии и фазах статора при подключении его “звездой” и “треугольником”. Тогда при соединении об- мотки “звездой”: I ф I лΔ U z Uл . (13)  Если включить двигатель в сеть при соединении обмотки статора “тре- угольником”, тоI фΔ UΔ z Uл zи IлΔ IфΔ  . (14)zРазделив ( 12 ) на ( 13 ), получим Iл IлΔ U л z 1 . (15) 3  Таким образом, пусковой ток в линии при соединении статора “звездой” в 3 раза меньше, чем при соединении “треугольником”. Это весьма важное пре- имущество рассматриваемого способа пуска. Однако при соединении обмоток статора “звездой” фазное напряжение в 3 раз меньше, чем при соединении “треугольником”, а так как момент пропорционален квадрату напряжения(МU 2 ), то пусковой момент М пуск тоже уменьшается в 3 раза. Поэтому рас- сматриваемый способ пуска в ход применяют там, где нагрузочный момент при пуске значительно меньше номинального. Способ переключения “звезда-треугольник” применяется также для улучшения коэффициента мощности и КПД двигателей при малых нагрузках (0,4 номин.). При этом, как известно, уменьшается фазное напряжение U ф в 3 раз при Uл=const, а так как Uл=E1и E1=Ф, то E1и Ф также уменьшатся приблизительно в 3 раз. Поэтому уменьшается намагничивающий ток I0и по- тери в стали Рст (приблизительно в 3 раза), так как они пропорциональны Ф 2 . 2 Однако при уменьшении Ф должен увеличиваться приведенный ток ротора I при заданном вращающем моменте: M Cм I2 Ф . (16) Вместе с ростом тока I2растут и потери в меди ротора тоже примерно в 3 раза. В обмотке статора будет геометрическая сумма токов - намагничивающе- го I0и приведенного вторичного I2. При соединении обмоток “звездой” первый уменьшается, а второй увеличивается. Поэтому при малых нагрузках главную роль играет намагничивающий ток I0, и ток в статоре I1уменьшается; при боль- ших нагрузках, когда большее значение имеет I2, ток в статоре при соединении “звездой” может оказаться больше, чем при соединении “треугольником”. От- сюда следует, что КПД двигателя при соединении “звездой” мало отличается от КПД при соединении “треугольником” Δ. При малых нагрузках > Δ , но затем он падает быстрее, чем Δ . Переключение со “звезды” на “треу-гольник” влияет, главным образом, на коэффициент мощности, который при малых на- грузках значительно возрастает. К недостаткам данного способа относится неплавность пусковой опера- ции, имеющей всего только две пусковые ступени и увеличение продолжитель- ности пуска. Для двигателей с фазной обмоткой ротора применяют пуск с помощью пускового реостата, включенного в цепь ротора. Рассмотрим последний более подробно. Сопротивление пускового реоста- та выбирается таким образом, чтобы двигатель при пуске развивал максималь- ный момент; при этом пусковой ток ограничивается и составляет не более 1,5- 2,5 от номинального. Плавность пуска достигается устройством в реостате не- скольких ступеней сопротивления. На рис.3 приведена зависимость вращающего момента двигателя от скольжения для трех сопротивлений RП пускового реостата.  Рис. 3 Пуск асинхронного двигателя с фазной обмоткой ротора Включение добавочного сопротивления в цепь ротора несколько изменяет характер зависимости вращающего момента M от скольжения s (рис. 3) и двига- телю с фазным ротором соответствует семейство характеристик M=F(s). При этом максимальный момент двигателя не изменяется, увеличение сопротивления смещает его в сторону большего скольжения. Таким образом, все кривые M=F(s) имеют вершину на одной высоте. Переключение ступеней пускового реостата заставляет двигатель переходить с одной характеристики на другую, при этом момент двигателя и ток изменяются по ступенчатой кривой, число ступеней ко- торой определяется числом ступеней пускового реостата. При включении пускового реостата сопротивлением RП1 двигатель трога- ется с места при Мпуск=Ммакс . По мере того, как увеличивается частота вращения двигателя, сопротивление пускового реостата уменьшают. Этому соответствует переход на новую механическую характеристику. Когда пусковой реостат пол- ностью выведен , т. е. RП=0, разгон двигателя заканчивается, и работа двигателя соответствует работе двигателя с короткозамкнутым ротором. Применение пускового реостата значительно улучшает пусковые харак- теристики асинхронного двигателя с фазным ротором, повышая момент и уменьшая скачок тока. К недостаткам этих двигателей стоит отнести сложность конструкции, более высокую их стоимость по сравнению с двигателями с ко- роткозамкнутым ротором. ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯХарактеристики холостого хода – это зависимости I0 , P0 , сos 0от линей- ного напряжения U0. Характеристики холостого хода снимаются эксперимен- тально. Примерный их ход показан на рис.  Рис. Характеристики холостого хода асинхронного двигателя Так как потребляемый при холостом ходе ток I o=(0,2 0,4)I1ном достаточ- но велик из-за наличия кольцевого зазора, представляюще- го значительное сопротивление магнитному потоку, и поэтому является чисто реактивным, то угол сдвига фаз oтоже большой, а зна- чит сos oмал.  Коэффициент мощности при холостом ходе:cos 0 , (17) где Р0- мощность, потребляемая при холостом ходе; U0- линейное напряжение; I0- линейный ток. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯИзменение различных электрических и механических параметров двига- теля описывается рабочими характеристиками, под которыми понимают зави- симости n2 , s , M2 , I1 , сos , от мощности P2на валу двигателя при U1=const и f=const (рис. 5).  Рис. 5. Рабочие характеристики асинхронного двигателя Зависимость n2 = f (P2) или s= f (P2)При холостом ходе, т. е. при P2=0 , ротор вращается со скоростью близ- кой к скорости вращения поля (n2 n1). С увеличением нагрузки скорость вра- щения ротора n2несколько уменьшается, а скольжение s слабо возрастает. При P2= P2ном относительное снижение скорости составляет от 2 до 7 %, а сколь- жение s составляет от 1,5 до 5 % . Зависимость = f (P2)Эта характеристика имеет обычный для электрических машин и транс- форматоров вид. При малых нагрузках, когда сильно сказываются постоянные потери, КПД мал. С ростом нагрузки увеличиваются переменные (тепловые) потери и при равенстве их постоянным потерям коэффициент полезного дейст- вия достигает максимума (80-96 %). Асинхронные двигатели конструируют так, чтобы максимальный КПД был при нагрузках несколько меньше P2ном. При пе- регрузке двигателя снижается за счет превышения переменных потерь над по- стоянными. КПД рассчитывается по формуле P2 100% , (18) P1 где Р2- мощность на валу двигателя; Р1- мощность, подводимая к двигателю из сети. Зависимость сos = f (P2)При холостом ходе сos 0,2 , но при нагрузке он довольно быстро воз- растает и достигает максимума при мощности P2 P2ном. Это объясняется тем, что при росте нагрузки до номинальной, возрастает активная составляющая тока I2а, вследствие увеличения механической мощности на валу двигателя (реактив- ная составляющая тока I2рпри этом почти не изменяется, так как магнитный поток остается постоянным (Ф=const)) угол уменьшаетя, а сos увеличива- ется. При перегрузке, т. е. при P2 > P2ном , сильно увеличиваются магнитные потоки рассеяния , поэтому реактивная составляющая тока I2ррастет , а вместе с ней растет и угол , а значит сos уменьшается.  Коэффициент мощности при нагрузке рассчитывается по формулеcos . (19) Зависимость I1= f (P2)Ток статора имеет две составляющие – постоянную, являющуюся намаг- ничивающей и совпадающей по фазе с магнитным потоком, и переменную – активную составляющую тока статора, зависящую от нагрузки. При холостом ходе ток статора равен току холостого хода, который у асинхронных двигателей достигает 40-60 % от номинального значения I1ном . При увеличении мощности P2увеличивается переменная составляющая тока, а вместе с ней и ток I1увели- чивается до I1ном . Зависимость вращающего момента M2= f (P2)Эта зависимость имеет такой же вид, как и I1= f (P2). Вращающий момент рассчитывается по формуле M 9,55 P2 . (20) 2 n2 ЛИТЕРАТУРАКасаткин А. С., Перекалин М.А. Электротехника. - М-Л: Государственное энергетическое издательство, 1947. Пиотровский Л.М. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1975. Составители: Геннадий Алексеевич Леонтьев; Елена Геннадьевна Зенина Исследование асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором. Методические указания к выполнению лабораторной работы по общему курсу электротехники для студентов всех специальностей Редактор Е. И. Кагальницкая Темплан 2000 г. Поз. № 133. Подписано к печати Формат 60 84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. Уч.- изд. л. Тираж 200 экз. Заказ. Волгоградский государственный технический университет. 400131, Волгоград, пр. Ленина, 28. РПК “Политехник” Волгоградского государственного технического университета. 400131, Волгоград, ул. Советская, 35. |