эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
x R I U Потери напряжения удобнее определять в относительных единицах 2 к.р 2 к.а з н 1 2 sin cos к, где ка икр активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания трансформатора. 10. 3. 5. Коэффициент полезного действия трансформатора Коэффициент полезного действия трансформатора – это отношение мощности, потребляемой приемником, к мощности, подводимой к трансформатору от источника электроэнергии. U 2 U 2 U 2 0 2 U 0 ном I 2 к з 1 2 3 1 а б Рис. 80 131 ст м 2 1 где P 1 = U 1 I 1 cos 1 – подводимая к трансформатору мощность P 2 = U 2 I 2 cos 2 – отдаваемая трансформатором мощность. Обычно потери мощности в трансформаторе P 1 – P 2 = P составляют от номинальной мощности. Эти потери разделяются на два вида – потери встали сердечника – потери в меди обмоток, затраченные на нагрев. Потери встали сердечника постоянны для данного типа трансформатора и не зависят от нагрузки. Они зависят от материала частоты перемагничивания, формы и конструкции сердечника (величины вихревых токов. Для уменьшения потерь встали сердечник делается шихтованным. У большинства трансформаторов ст менее 1 % от номинальной мощности. Эти потери определяются в опыте холостого хода ив паспорте трансформатора указывают их номинальное значение. Потери в меди обмоток растут с увеличением тока нагрузки, они пропорциональны квадрату тока в обмотках, определяются в опыте короткого замыкания и также указываются в паспорте трансформатора. Если учесть коэффициент загрузки трансформатора к з, то коэффициент полезного действия выражается следующей формулой н н ст 2 з мн з 2 н з к cos к кВ отличие от других приемников трансформаторы нормируются не по активной а по полной мощности (н = н н, так как размеры трансформатора приданной частоте определяются в основном номинальным напряжением и номинальным током. Номинальный ток определяет сечение проводов обмоток, а от номинального напряжения зависит величина магнитного потока в сердечнике, следовательно, и размеры магнитопровода. 132 Кривая КПД трансформатора представлена на риса, б. Падение КПД трансформатора при нагрузке, большей, чем ном объясняется значительным увеличением потерь в меди обмоток, а максимум КПД трансформатора получается при равенстве потерь в меди обмоток ив стали сердечника трансформатора. Из зависимости = f к з) (рис. 81, б) видно, что КПД трансформатора мало меняется при 0,2 < к з < 1. У трансформаторов большой мощности КПД достигает 98–99 %. При проектировании трансформатора приходится учитывать, что трансформатор значительную часть времени может быть не полностью загружен. Поэтому трансформаторы обычно рассчитывают так, чтобы максимум КПД соответствовал нагрузке 0,7P 2ном P м = ст н % % P 2 к з 1 н н max б а Рис. 81 133 11. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Асинхронный двигатель (АД) – это двигатель переменного тока, преобразующий электрическую энергию в механическую посредством создающегося в статоре вращающегося магнитного поля, которое заставляет вращаться ротор, причем частота вращения ротора меньше частоты вращения поля статора. 11.1. Принцип получения вращающегося магнитного поля в статоре АД В теории электрических машин известно физическое явление, когда можно наблюдать движение магнитного поля, созданного неподвижными контурами с переменными токами для получения этого явления необходимо определенным образом расположить обмотки стоками, причем токи в обмотках трехфазных цепей должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на одну треть периода, чему соответствует пространственный угол 2 /3 между осями обмо- ток. Наиболее часто применяют двухфазные и трехфазные обмотки. Мгновенное распределение потоков, создаваемых токами в проводниках этих обмоток, непрерывно смещается в пространстве. Соответственно суммарное магнитное поле этих потоков будет иметь те же свойства, что и поле движущегося магнита. В электрических машинах переменного тока вращающееся поле токов статора заставляет вращаться ротор. Для усиления поля статора применяются ферромагнитные материалы, так что между статором и ротором остается минимальный воздушный зазор. Поле в воздушном зазоре играет фундаментальную роль по распределению магнитной индукции в воздушном зазоре можно рассчитать ЭДС в обмотках, а также электромагнитные силы, действующие на токи в них. Трехфазную обмотку статора в АД выполняют в виде трех групп катушек, смещенных в пространстве на 120 . На рис. 82 каждая фазная обмотка условно показана в виде одновитковой секции, где A, B, C – начала, x, y, z – концы обмоток. Обмотки могут быть соединены звездой или треугольником и подключаются к трехфазному источнику ЭДС, где токи в каждой фазе i A, i B, i C равны и сдвинуты во времени на 1/3 периода (рис. 83). Принцип получения вращающегося магнитного поля поясняется на рис. 82 и 83. Рис. 82 Ток, проходя по катушке, создает пульсирующее магнитное поле, направление и величина которого определяются направлением и величиной тока. Рассматривая магнитные поля в любые моменты времени t 1 , t 2 , t 3 (рис. 82 и 83), можно заметить, что результирующее поле трех фаз, оставаясь постоянным по величине, непрерывно меняет свое направление (поток Ф на риса, те. вращается в пространстве. Частота вращения магнитного поля в пространстве зависит от частоты тока. В рассматриваемом случае за один период изменения тока поле сделает один полный оборот. Получив x x x + + + + + + + + A A A B B B C C C y y z z z Ф Ф Ф t = t 1 t = t 2 t = t 3 + Рис. 83 135 шаяся картина магнитного поля эквивалентна вращению одной пары полюсов – двухполюсное вращающееся поле. При частоте тока f (Гц) поле за одну секунду сделает f оборотов, аза одну минуту 60 f оборотов, тогда синхронная частота вращения поля для двух полюсов магнита, вращающегося в пространстве, равна с = 60 f. Если ввести понятие p – число пар полюсов, то угловая скорость поля = / p, где – угловая частота тока в обмотке. Если учесть, что = 2 f, где f – частота тока в сети, получим Однако, = 2 n, где n – частота вращения (в оборотах в секунду. Тогда 2 n = 2 f / p; те об/с или n = 60 f / p об/мин. Таким образом, частота вращения поля статора асинхронного- двигателя равна n 1 = 60 f / p. При определенной схеме соединения проводников обмоток статора токи, протекающие по обмоткам, могут создавать вращающееся магнитное поле, эквивалентное полю четырех (p = 2), шести (p = 3) и т. д. полюсов магнитов, вращающихся в пространстве. Число пар полюсов АД влияет на частоту вращения поля в пространстве, а следовательно, и на частоту вращения ротора. Если учесть, что стандартная частота тока в сети f = 50 Гц и число пар полюсов в АД, как правило, ограничивается p = 4, получим следующую таблицу синхронных частот вращающегося магнитного поля в статоре p 1 2 3 4 и т. д. n 3000 1500 1000 750 Из сказанного можно сделать вывод, что условиями получения вращающегося магнитного поля в статоре трехфазного АД являются – смещение катушек отдельных фаз на 120° в пространстве – сдвиг токов в катушках по фазе нате. во времени на 1/3 периода – равенство действующих фазных магнитодвижущих сил (МДС). 136 В трехфазных асинхронных двигателях число катушек должно быть кратным трем (3, 6, 9, 12 и т. д. Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор Он дешевле и обслуживание двигателей с таким ротором значительно проще. 11.2. Устройство трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором Эти АД состоят из двух главных частей неподвижной части статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором от 0,1 до 1–1,5 мм. Статор – это полый цилиндр с пазами, собранный из штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. Делается это для уменьшения потерь встали за счет уменьшения вихревых токов. В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки, каждая из которых содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга (чаще всего берут три катушки, находящиеся в соседних пазах. Распределение фазных обмоток по нескольким пазам улучшает использование цилиндрической конструкции статора и обусловливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором, такая обмотка обеспечивает распределение магнитной индукции, близкое к синусоидальному. Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов p, равным числу катушечных групп водной фазной обмотке. Пакет пластин статора запрессован в корпус-оболочку, который имеет соединительные элементы (лапы, торцевой фланец и т. д) для крепления к неподвижному жесткому основанию. 137 Ротор – вращающаяся часть – также набирается из штампованных пластин электротехнической стали, которые запрессовывают навал, входящий при сборке машины в боковые подшипниковые щиты. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Стержни обмотки замкнуты по торцам кольцами, которые отливаются одновременно со стержнями. Короткозамкнутая обмотка имеет вид беличьей клетки. Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием. Кроме того, алюминиевая отливка имеет лопасти, обеспечивающие вентиляцию машины. Такие роторы применяются в машинах малой и средней мощности. Условное графическое изображение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на схемах замещения и простейшая конструкция самой короткозамкнутой обмотки представлены на риса, б. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике. 11.3. Устройство асинхронных двигателей с фазным ротором АД с фазным ротором дороже и сложнее в изготовлении, поэтому они применяются в приводах достаточно большой мощности до 100 кВт) или в т случаях, когда необходимо регулировать ча- б а Рис. 84 138 стоту вращения двигателя при неизменной нагрузке. Кроме того, АД с фазным ротором имеют улучшенные пусковые характеристики, а именно – уменьшается пусковой токи увеличивается начальный вращающий момент. Статор – неподвижная часть – устроен также, как и у АД с короткозамкнутым ротором. Ротор – вращающаяся часть – устроен по другому. В пазы фазного ротора укладываются не стержни, а проводники катушек обмотки. Концы фаз обмотки ротора соединены в звезду, а начала выводятся к изолированным друг от друга и отвала двигателя контактным кольцам, укрепленным на нем. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату, что дает возможность существенно улучшить условия пуска – уменьшить пусковой токи увеличить начальный вращающий момента также плавно регулировать скорость двигателя. На рис. 85 приведено условное графическое обозначение АД с фазным ротором на схемах замещения. В обоих видах двигателя – с короткозамкнутым или фазным ротором – обмотка ротора от внешнего источника энергии не питается. 11.4. Принцип действия асинхронных двигателей В статоре асинхронного двигателя создается вращающееся магнитное поле. Это поле, пересекая обмотки неподвижного ротора, наводит в них ЭДС по закону электромагнитной индукции ( t e d Фа так как цепь обмотки ротора замкнута, тов ней появляется ток ( , Z E I 2 2 2 где 2 Z – комплексное сопротивление обмотки ротора. Ток ротора создает магнитное поле ротора, которое вращается в пространстве с такой же угловой скоростью, как и поле статора. В результате сложения полей статора и ротора в АД создается результирующее магнитное поле. От взаимодействия токов ротора с вращаю- Рис. 85 139 щимся магнитным полем статора возникает вращающий момент, который принуждает ротор вращаться в туже сторону, что и магнитное поле. Частота вращения, с которой магнитное поле вращается в пространстве, называется синхронной частотой 1 , частота вращения ротора всегда меньше синхронной частоты вращающегося поля, она называется асинхронной, те. вращение ротора всегда отстает отвращения поля статора. Разность между n 1 и называется скоростью скольжения, а отношение 1 2 1 n n n s называется скольжением Скольжение – это основной параметр асинхронного двигателя. Чем больше момент сопротивления навалу, тем больше должно быть скольжение. Скольжение может выражаться в процентах или в относительных единицах. При неподвижном роторе, когда n 2 = 0, скольжение s = 1 (режим пуска АД. Реально, скольжение меняется от 0,02 до 0,08. Обычно АД проектируют так, чтобы при холостом ходе ха при номинальном режиме н = 0,05. В зависимости от величины скольжения различают следующие режимы работы АД – режим двигателя (0 < s < 1) – трехфазная асинхронная машина является преобразователем электрической энергии в механическую – режим генератора (s < 0) – трехфазная асинхронная машина является преобразователем механической энергии в электрическую – режим электромагнитного тормоза (s > 1) – ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. Вращающий момент, развиваемый двигателем, также зависит от его скольжения. Скольжение, при котором двигатель развивает максимальный момент, называется критическим (кр. Критическое скольжение достигается при противодействующем моменте навалу пр после чего двигатель останавливается. 140 Зависимость момента двигателя от его скольжения описывается приближенной формулой Клосса кр кр max 2 s s s s M M , где M max – максимальный момент, который может развить АД кр – критическое скольжение M и s – текущие эначения момента и скольжения Графическая зависимость M max = f (s), где I – рабочий режим II – режим перегрузки III – режим неустойчивой работы, представлена на рис. 86. АД проектируют так, чтобы кр 0,1. Электромагнитный момент прите. при n 2 = 0, называется пусковым моментом M пуск Пусковой момент также, как и максимальный, пропорционален квадрату питающего напряжения (пуск ), поэтому АД весьма чувствителен к снижению питающего напряжения, а при очень малых напряжениях сети, двигатель может даже не запуститься. В каталогах на асинхронные двигатели указываются допустимые соотношения ; 5 , 2 ном ном пуск 1,8 ; ном min M M = 0,9 1,2. M н кр 1 пуск M max ном I II III Рис. 86 s 141 Максимальный момент определяет перегрузочную способность асинхронного двигателя. У работающего двигателя динамическое равновесие моментов автоматически восстанавливается при увеличении скольжения, пока тормозной момент навалу меньше максимального момента, развиваемого двигателем. Когда же тормозной момент становится равным максимальному, то при дальнейшем увеличении нагрузки возрастание скольжения будет уменьшать вращающий момент динамическое равновесие, нарушенное увеличением нагрузки, не восстанавливается и двигатель может вообще остановиться. 11.5. Характеристики асинхронного двигателя 11.5.1. Механические характеристики Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора n 2 от электромагнитного момента M при постоянном напряжении сети U 1 . В установившемся режиме этот момент равен противодействующему моменту рабочего механизма. Механическую характеристику можно получить из кривой M = f (s), используя соотношение n 2 = n 1 (1 – s) , полученное из формулы скольжения. Поэтому соотношению рассчитывается значение частоты вращения ротора n 2 для нескольких значений скольжения (0 < s < 1). Для этих же значений скольжения по кривой M = f (s) определяются соответствующие значения моментов M . Синхронная частота вращения n 1 подсчитывается по формуле p f n 60 которая для данного типа двигателя является величиной постоянной. Тогда получается механическая характеристика n = f (M), представленная на рис. 87. Участок характеристики d–c–b соответствует разгону двигателя. В точке b – максимальный момент, до которого разгоняется двигатель на холостом ходу. Точка c соответствует минимальному моменту, который возникает припуске из-за конструктивных особенностей некоторых АД. 142 Участок характеристики a – b соответствует установившемуся режиму работы двигателя. Этот участок соответствует устойчивой работе АД, когда M вр M max . На установившемся участке как бы ни изменялся тормозной момент рабочего механизма, асинхронный двигатель может изменить свой вращающий момент (M вр ) так, что условие его устойчивой работы сохраняется (свойство саморегулирования двигателя. Когда же тормозной момент рабочего механизма станет равным максимальному M max , вращающий момент двигателя начинает уменьшаться и двигатель, в конце концов, останавливается, поэтому M max иногда называют опрокидывающим моментом. Механические характеристики могут быть жесткими и мягкими. Жесткая механическая характеристика – та, при которой на большом значении изменения момента частота вращения ротора мало меняется. Мягкая механическая характеристика – та, при которой на небольшом значении изменения момента частота вращения ротора резко меняется. Жесткость механической характеристики определяется отношением изменения момента на определенном участке к изменению частоты вращения двигателя на этом же участке Для АД с фазным ротором существует семейство механических характеристик, соответствующих различным значениям доба- У м 15 n 1 a b c п Рис. 87 M n M max d M min 143 вочных сопротивлений пускового реостата, включенного в цепь ротора (рис. 88). Механическая характеристика при д 0 называется естественной механической характеристикой. Она соответствует механической характеристике АД с короткозамкнутым ротором и является достаточно жесткой (частота вращения ротора мало меняется при изменении момента. Механические характеристики, приди д > д называются искусственными механическими характеристиками, причем, чем больше значение сопротивления д, тем они становятся более мягкими Механические характеристики наглядно показывают свойства асинхронного двигателя как части электропривода. Однако для более полного выявления свойств самого двигателя служат его рабочие характеристики. Рабочие характеристики АД Рабочие характеристики двигателя – это зависимость его эксплуатационных параметров от мощности навалу (полезной мощности. К эксплуатационным параметрам относятся n 2 – частота вращения двигателя (ротора cos 1 – коэффициент мощности двигателя – коэффициент полезного действия (КПД) двигателя M вр – момент вращения двигателя I 1 – ток в обмотке статора s – скольжение дви- R д1 > д д = 0 д > д M max M n Рис. 88 M n 144 гателя. Рабочие характеристики снимаются при постоянном напряжении питания статорной обмотки и постоянной частоте тока в сети (U 1 = const, f = const). Они показаны на рис. 89. Зависимость тока статорной обмотки от полезной мощности навалу. По мере роста нагрузки навалу увеличивается ток статора за счет увеличения его активной составляющей. В режиме холостого хода, когда момент практически равен нулю, ток равен току холостого ходах значение которого зависит от магнитного сопротивления магнитопровода ив первую очередь, от сопротивления воздушного зазора между статором и ротором, поэтому зазор делается небольшим – десятые доли мм, тем не менее х (0,2 0,5) н в зависимости от мощности АД. Зависимость коэффициента мощности АД т полезной мощности cos 1 = f (P 2 ). При холостом ходе cos 1 определяется мощностью потерь в магнитопроводе, обычно в этом режиме cos 1 достаточно мал (0,2 0,3), поэтому длительная работа АД без нагрузки нежелательна. Однако при нагрузке, близкой к номинальной, рост cos замедляется вследствие увеличения реактивной мощности полей рассеяния. Обычно при номинальном режиме АД cos 1 равен 0,7 0,85. Принято все электрические параметры статорной обмотки обозначать с индексом «1», а все электрические параметры ротора (двигателя) – с индексом «2». s s n P 2 2 2 2 n 2, , , cos 1 cos 1 M вр , M вр M вр. х I 1 I 1 I 1 х н 0 P 2 Рис. 89 145 Зависимость частоты вращения ротора от полезной мощности n 2 = f (P 2 ). Эта характеристика достаточно жесткая и мало отличается от механической характеристики двигателя. Зависимость коэффициента полезного действия АД от полезной мощности = f (P 2 ) выражается формулой мех магн эл 2 2 1 2 P P P P P P P , где P 2 – полезная мощность, P 1 – мощность, подводимая к статорной обмотке (затраченная мощность, магн – потери встали статора, P эл электрические потери в меди обмоток, мех – механические потери, обусловленные трением в подшипниках, несоосностью ротора и статора и др. При отсутствии нагрузки = 0, с увеличением P 2 – коэффициент полезного действия увеличивается, однако, при больших нагрузках рост замедляется, затем начинает уменьшаться за счет увеличения тепловых потерь в обмотках, пропорциональных квадрату токов в них. Асинхронные двигатели рассчитывают так, чтобы максимальный находился в пределах (0,7 0,8 )P 2ном Зависимость вращающего момента АД от полезной мощности M = f (P 2 ). Вращающий момент складывается из полезного момента и момента холостого хода M вр. х , последний затрачивается на покрытие механических потерь, его можно считать постоянными независящим от нагрузки двигателя. Полезный момент / ωp 2 2 M P , где р – угловая частота ротора, которая уменьшается с увеличением полезной мощности P 2 , поэтому кривая момента – нелинейная и характеристика М = f (P 2 ) несколько отклоняется вверх. Зависимость скольжения АД от полезной мощности s = f (P 2 ). Скольжение s ротора связано с n 2 следующим образом 1 2 2 1 1 1 S n n n n n При холостом ходе, когда P 2 = 0, n 2 n 1 скольжение мало oтличается от нуля. С увеличением полезной мощности частота вращения ротора несколько уменьшается, а скольжение увеличивается. При P 2 = н скольжение s = 0,03 0,06. |