3. Машины переменного тока.

Машины переменного тока предназначены для преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока (генераторы) или для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую (двигатели). Они подразделяются на синхронные и асинхронные. Наиболее широко применяются в промышленности для привода различных механизмов трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Они отличаются простотой конструкции и как следствие, малыми габаритами, массой и высокой надежностью. Данные двигатели используются в подавляющем большинстве нерегулируемых приводов, а в последнее время и в регулируемых приводах в сочетании с преобразователями частоты.

Для производства электрической энергии чаще всего используют синхронные генераторы. Более ограниченное применение имеют трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором, синхронные двигатели, а также однофазные и двухфазные асинхронные двигатели.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором имеет трехфазную обмотку, выполненную медным проводом и уложенную в пазах на статоре, а также - короткозамкнутую обмотку типа «беличья клетка» на роторе.

При подключении обмотки статора к сети трехфазного напряжения она создает магнитный поток, вращающийся в пространстве с синхронной частотой

(4.1)

где - частота подводимого к двигателю напряжения, - число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки неподвижного ротора. Вследствие этого в обмотке ротора индуцируется э.д.с. , под действием которой по обмотке ротора протекает пусковой ток . В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с проводниками обмотки ротора, по которым протекает ток, на ротор действует пусковой вращающий момент , направленный в сторону вращения магнитного поля. Под действием пускового момента ротор начинает вращаться с частотой

(4.2)

где - величина, характеризующая разность частот вращения магнитного поля и ротора, называемая скольжением.

В момент запуска двигателя , а частота э.д.с. и тока в обмотке ротора равна частоте напряжения питающей сети . По мере разгона ротора скольжение, а также частота э.д.с. и тока в обмотке ротора снижаются. При номинальной нагрузке на валу номинальная величина скольжения составляет 0,02 - 0,06 (в зависимости от типа двигателя), ротор вращается с частотой и двигатель развивает номинальную мощность . Вращающий момент при номинальной нагрузке

(4.3)

Механическая характеристика или асинхронного двигателя выражается громоздкой и неудобной для анализа функцией. На практике для построения механической характеристики обычно используют приближенную формулу

(4.4)

где - критическое значение скольжения, соответствующее максимальному (критическому) значению момента . Отношение

(4.5)

называется кратностью максимального момента. Она характеризует перегрузочную способность асинхронного двигателя.

Примерный вид механической характеристики показан на рис. 4.1. Участок ОН, на котором зависимость (4.4) практически линейна, является рабочим. На этом участке механической характеристики асинхронный двигатель может работать длительно, не перегреваясь выше допустимой температуры.

Участок НК соответствует механической перегрузке двигателя. На данном участке двигатель может работать кратковременно, после чего нагрузка должна быть снижена.

Участок ОК характеристики – участок статически устойчивой работы двигателя, при которой он может автоматически компенсировать увеличение нагрузки на валу. Т.е. при возрастании по какой-либо причине момента сопротивления последует переходный процесс, в ходе которого частота вращения ротора уменьшится, скольжение увеличится, а вращающий момент возрастет. Вследствие этого двигатель выйдет на новый установившийся режим, характеризующийся более низкой частотой вращения < и равенством моментов .

Участок КП соответствует неустойчивой работе двигателя. По данному участку изменяется момент и частота вращения при пуске. Если по какой-либо причине станет больше , двигатель перейдет в так называемый режим опрокидывания. При этом момент и частота вращения также изменяются по участку КП характеристики, но в сторону уменьшения, вплоть до полной остановки двигателя.

Точка П характеристики, имеющая координаты ( ), соответствует режиму пуска двигателя. Величина , называемая кратностью пускового момента, характеризует его пусковую способность.

Точка 0 характеристики соответствует режиму холостого хода, при котором момент сопротивления очень мал (определяется только трением в опорах). Поэтому скольжение составляет тысячные доли и частота вращения ротора близка к синхронной.

При расчете приводов иногда удобнее использовать механическую характеристику в виде зависимости , которую несложно получить из выражения (4.4), с учетом (4.2), как это сделано в нижеприведенном примере.

Синхронные машины по конструкции близки к асинхронным. В частности статор имеет аналогичную конструкцию. В его пазах располагается трехфазная обмотка, которая может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник». Ротор может быть выполнен с явно выраженными полюсами, либо с неявно выраженными полюсами. На роторе размещена обмотка возбуждения, получающая питание через контактные кольца и щетки от источника постоянного тока. В машинах небольшой мощности вместо обмотки возбуждения может использоваться постоянный магнит.

При работе машины в качестве генератора ротор приводится во вращение от внешнего двигателя. Он создает вращающееся магнитное поле, которое пересекает проводники обмотки статора и наводит в ней синусоидальную э.д.с. Действующее значение э.д.с.

, (4.6)

где - обмоточный коэффициент, - число витков одной фазы обмотки якоря, - амплитуда магнитного потока одной пары полюсов индуктора.

Частота э.д.с. зависит от числа пар полюсов и частоты вращения ротора

(4.7)

Нагрузка подключается к зажимам якорной обмотки статора, поэтому ток нагрузки равен току данной обмотки . Внешней характеристикой синхронного генератора (рис.4.2) является зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки при постоянных значениях , n и тока в обмотке возбуждения .

О на строится по уравнению электрического равновесия согласно второму закону Кирхгофа:

, (4.8)

где - э.д.с., индуцируемая в якорной обмотке статора; - соответственно активное и реактивное сопротивления обмотки.

При активно-индуктивном характере нагрузки ( ) напряжение на зажимах генератора снижается с увеличением нагрузки за счет падения напряжения на обмотке якоря и влияния его реакции. Это снижение можно компенсировать за счет увеличения тока возбуждения машины. Зависимость , обеспечивающая при и , называется регулировочной или - образной характеристикой машины (рис.4.3).

С инхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. Синхронную машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором называют обращенной.

Синхронные машины, как и все другие, являются обратимыми, т.е. могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Однако синхронные двигатели отличаются от генераторов конструкцией ротора, что обусловлено особенностями их пуска.

Ротор синхронного двигателя помимо обмотки возбуждения имеет дополнительную обмотку типа «беличья клетка», как у асинхронного двигателя. Синхронный двигатель подключается к сети трехфазной обмоткой статора и работает в период пуска аналогично асинхронному двигателю. При достижении частоты вращения близкой к синхронной на обмотку возбуждения подается напряжение и двигатель «входит в синхронизм» (ротор начинает вращаться с синхронной частотой).

Синхронные двигатели сохраняют неизменной частоту вращения при изменении нагрузки на валу. Они обладают большим к.п.д., чем асинхронные двигатели и более устойчивы к колебаниям напряжения питающей сети, т.к. момент, развиваемый ими, пропорционален питающему напряжению в первой степени, в то время как момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения питающей сети.

Кроме того, они обладают еще одним полезным свойством. При снижении напряжения сети во время аварийных ситуаций реактивный ток асинхронных двигателей возрастает и они отдают в сеть дополнительную реактивную мощность, что способствует восстановлению напряжения. Таким образом, они оказывают стабилизирующее действие на работу электрической сети.

В режиме перевозбуждения при они отдают в сеть емкостной ток, компенсируя действие активно-индуктивной нагрузки и, тем самым, повышая коэффициент мощности сети. Свойство перевозбужденной синхронной машины отдавать в сеть опережающий (емкостной) ток является в ряде случаев определяющим при выборе двигателей большой мощности для привода производственных механизмов.

Пример 4.1.

Задания на расчет:

Для трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, по приведенным в исходных данных задания некоторым значениям из его паспортных параметров:

1) построить принципиальную электрическую схему управления, предусмотрев в ней защиту от перегрузок;

2) определить недостающие паспортные данные;

3) рассчитать и построить примерную (по характерным точкам) механическую характеристику , указав на ней участки допустимой длительной и кратковременной работы по условиям нагрева, а также участки устойчивой и неустойчивой работы;

4) рассчитать и построить рабочую характеристику , т.е. зависимость к.п.д. от коэффициента нагрузки ;

5) проанализировать работу двигателя по полученным механической и рабочей характеристикам.

Исходные данные:

Тип двигателя: 4А112М2УЗ;

Схема соединения обмоток статора: Y

Номинальное напряжение сети -

Номинальная мощность на валу:

Номинальный к.п.д.: ;

Номинальная частота вращения - ;

Номинальный коэффициент мощности:

Кратность пускового момента: ;

Кратность максимального момента: ;

Кратность пускового тока:

Примечание. В номинальном режиме работы двигателя считать потери в магнитопроводе и обмотках равными, т.е. .

Решение.

1. Строим схему управления асинхронным трехфазным двигателем с короткозамкнутым ротором (рис. 4.4). Подключение двигателя к трехфазной сети осуществляют главные контакты магнитного пускателя КМ. Цепь управления содержит катушку КМ, а также контакты кнопок управления SB1, SB2. Пуск и остановка двигателя осуществляется при нажатии на кнопки SB2 и SB1 соответственно. Защита двигателя от токов короткого замыкания осуществляется плавкими предохранителями FU, а защита от перегрузок тепловыми реле КК.

2. Определяем недостающие параметры асинхронного двигателя:

• Мощность, потребляемая двигателем из сети при номинальной нагрузке

.

• Номинальное фазное напряжение статора при схеме соединения его обмоток по схеме «звезда»

.

• Н

  380 В

  оминальный линейный ток двигателя

.

• Номинальный фазный ток в обмотках статора при их соединении «звездой» .

• Пусковой ток двигателя .

• Частоту вращения магнитного поля статора.

Предпоследняя цифра в обозначении типа двигателя соответствует числу его полюсов. Для 4А112М2УЗ число полюсов - 2, следовательно, число пар полюсов - . Тогда синхронная частота вращения при стандартной частоте тока в питающей сети ( ):

.

• Номинальное скольжение

.

• Критическое скольжение

.

• Критическая частота вращения ротора

• Номинальный момент

• Начальный пусковой момент

• Критический момент

3. Строим приближенно механическую характеристику электродвигателя (рис. 4.5) по точкам соответствующим:

• идеальному холостому ходу – А( );

• номинальному режиму – В( );

• критическому режиму – С( );

• начальному пусковому режиму – D( ).

У часток АВ характеристики, соответствует допустимой длительной работе двигателя. Для данного участка момент сопротивления на валу удовлетворяет условию < .

Кратковременная по условию перегрева работа двигателя допускается на участке ВС при < < . Устойчивая работа двигателя имеет место при > (участок АС), неутойчивая – при < (участок CD).

4. Рассчитываем и строим рабочую характеристику данного асинхронного двигателя.

Учитывая, что мощность потерь на перемагничивание магнитопровода от нагрузки не зависит, а мощность электрических потерь пропорциональна квадрату тока в обмотках, получаем формулу для расчета к.п.д.

,

Согласно заданию

Рассчитанные значения к.п.д. приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

	0,1	0,2	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,2
η	0,581	0,73	0,83	0,86	0,87	0,87	0,87	0,87	0,865

По данным табл.4.1 строим рабочую характеристику двигателя (рис.4.6).

5 . Анализируем работу двигателя по полученным механической и рабочей характеристикам.

Проанализируем, как изменяется частота вращения при изменении нагрузки от до . Значения момента сопротивления на валу (если пренебречь изменением частоты вращения): .

Им соответствует частота вращения ротора ;

Итак, с увеличением нагрузки на валу двигателя его частота вращения уменьшается. Относительное уменьшение частоты вращения на рассматриваемом участке механической характеристики составляет:

, или 3%. Т.е. на рассматриваемом участке АВ асинхронный двигатель практически имеет неизменную частоту вращения – характеристика жесткая.

Проанализируем влияние коэффициента нагрузки на к.п.д. двигателя.

Относительное изменение к.п.д. двигателя в рассматриваемом диапазоне изменения нагрузки на его валу: или около 50%.

Таким образом, изменение к.п.д. весьма значительно. Как следует из рис 4.6, к.п.д. двигателя существенно снижается при малой нагрузке, следовательно при выборе двигателя надо не допускать излишнего запаса мощности.