Режимы работы асинхронной машины

Режимы работы асинхронной машины

При аналитических исследованиях асинхронных машин используется зависимость электромагнитного момента от скольжения (рис. 3.5,а). Как и все электрические машины асинхронная машина обратима. В режиме она работает как двигатель. При отрицательных значениях скольжения (скорость ротора больше скорости вращения поля) машина работает как генератор. Если внешняя сила вращает ротор против направления вращения поля ( ), то машина работает как электромагнитный тормоз. При этом электромагнитный момент будет препятствовать вращению ротора.

Рассмотрим механическую характеристику двигателя (рис. 3.5, б). При происходит пуск двигателя. При (ротор догнал поле) и . В пределах скорость вращения незначительно зависит от момента сопротивления. Эта часть характеристики считается жесткой, причем двигатель работает устойчиво до точки номинального момента. В пределах механическая характеристика соответственно мягкая и этот участок – неустойчивой работы асинхронного двигателя.

Способы регулирования скорости вращения ротора

С точки зрения регулирования скорости вращения ротора асинхронный двигатель хуже, чем двигатель постоянного тока. Регулирование возможно только вниз, то есть в сторону уменьшения скорости вращения .

Реостатное регулирование осуществляется у двигателей с фазным ротором. Регулирующие реостаты обычно рассчитаны на продолжительный режим работы и регулируют обороты в диапазоне до трех раз (рис. 3.6, а). Этот способ неэкономичен, так как увеличиваются потери на дополнительном сопротивлении.

Согласно соотношению регулировать скорость вращения короткозамкнутого двигателя можно двумя способами.

1. Изменением числа пар полюсов (полюсное регулирование). Выводы катушек статорной обмотки переключаются на щитке двигателя. В зависимости от их переключения изменяется число пар полюсов. При этом сложность конструкции и массо-габаритные показатели двигателя увеличиваются. Этот способ дает возможность регулировать обороты ступенчато (рис. 3.6, б).

2. Изменением частоты питающего тока (частотное регулирование). Обычно частоту регулируют тиристорным преобразователем частоты в пределах Гц. Предполагается, что с изменением частоты в такой же степени изменяется и напряжение, а их соотношение . Недостатком этого способа является необходимость включения дополнительного прибора и небольшие пределы регулирования (рис. 3.7).

Реверсирование (изменение направления вращения ротора) осуществляется изменением направления вращения магнитного поля. Этот процесс можно осуществить меняя местами два любых линейных провода, соединяющих трехфазную сеть со статором двигателя.

Пуск асинхронного двигателя

У асинхронного двигателя не очень высокие пусковые характеристики. При пуске под полным напряжением в обмотке статора возникают токи, в несколько (6…7) раз превышающие номинальные. Это опасно и для двигателя, и для сети переменного тока. Пусковой момент двигателя обычно невелик, поэтому при пуске двигатель нужно разгрузить. Задачу пуска решают с помощью искусственного повышения сопротивления цепи ротора. При этом увеличивается пусковой момент и уменьшается пусковой ток.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется введением максимального сопротивления реостата в обмотке фазного ротора. После разгона ротора постепенно уменьшают сопротивление реостата. Иногда используют ступенчатый реостат (имеющий пусковое дополнительное и рабочее сопротивление).

Пуск короткозамкнутого двигателя осуществляют напрямую или с помощью добавочного сопротивления в цепи обмотки статора или с переключением фаз обмотки статора со звезды на треугольник. Для механизмов, имеющих тяжелые условия пуска применяются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. Эти двигатели отличаются только устройством короткозамкнутой обмотки ротора. Двигатели с двойной «беличьей клеткой» снабжены двумя самостоятельными обмотками. Двигатели с глубоким пазом имеют более глубокие пазы, в которые укладывается короткозамкнутая обмотка, имеющая стержни с большим отношением высоты к ширине. Двигатели с повышенным скольжением обладают повышенным сопротивлением стержней обмотки. В этих двигателях пусковой момент может увеличиваться в три раза. Пусковой ток устанавливается в три-четыре раза больший, чем номинальный.

За счет снижения напряжения, подаваемого на обмотку статора, может быть уменьшен пусковой ток. Снижение пускового тока приводит к нежелательному уменьшению и пускового момента. Этот способ называется пуском при сниженном напряжении. Есть несколько способов пуска при сниженном напряжении: пуск с помощью реактивной катушки; пуск с помощью реостата (активного сопротивления); автотрансформаторный пуски т д. К сожалению, все эти способы понижают не только пусковой ток, но и пусковой момент.

Асинхронная машина работает в режиме двигателя если

Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы

Трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со скоростью

.

Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.

(11.3)

(11.4)

называется скольжением асинхронной машины.

В зависимости от соотношения и различают три режима работы: в режиме двигателя; в режиме генератора; в режиме электромагнитного тормоза.

Работа в режиме двигателя. На рис. 11.5 показано магнитное поле статора, вращающееся по часовой стрелке. При линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью . Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом – от нас. То же направление имеют и активные составляющие токов в проводниках. Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость , с которой вращается двигатель, зависит от его нагрузки. При холостом ходе скорость становится почти равной , так как при = 0 ЭДС и токи в роторе равны нулю и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина работает в режиме двигателя в пределах от = 0 до , т.е. при скольжении от +1 до 0. При этом электрическая энергия, подводимая к статору из сети, преобразовывается в механическую энергию на валу.

Работа в режиме генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью . В этом случае скольжение будет отрицательным, а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с работой в режиме двигателя. Момент на валу становится тормозящим по отношению к вращающему моменту первичного двигателя. Асинхронная машина работает генератором. Механическая энергия, подведенная к валу, преобразовывается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом, асинхронная машина может работать в режиме генератора параллельно с сетью в пределах от до , т.е. при скольжении от до .

Работа в режиме электромагнитного тормоза. Допустим, что ротор приводится во вращение против направления вращения магнитного потока статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон – электрическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим работы называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от до . Примером практического применения режима электромагнитного тормоза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.

Электродвижущие силы в обмотках статора и ротора

Вращающийся магнитный поток в воздушном зазоре пересекает проводники обмоток статора и ротора и индуктирует в них синусоидальные ЭДС. ЭДС одного витка

,

где – максимальное значение вращающегося магнитного потока.

Обмотка статора имеет витков, уложенных в пазах. В один и тот же момент времени мгновенные значения ЭДС, наведенные в витках, получаются сдвинутыми по фазе. Суммарная ЭДС равна геометрической сумме ЭДС, которая меньше алгебраической суммы. Эта разность учитывается коэффициентом распределения. Кроме того, в электрических машинах переменного тока применяют укороченные шаги обмотки и профилирование пазов с целью получения синусоидального распределения потока. Эти меры также уменьшают ЭДС, что учитывается соответствующими коэффициентами укорочения и скоса пазов. Произведение всех трех коэффициентов называется обмоточным коэффициентом, числовое значение которого = 0,92…0,98. Амплитуда ЭДС фазной обмотки статора

,

а ее действующее значение с учетом можно записать в виде

. (11.5)

Сравнение (11.5) с (7.3) показывает, что ЭДС обмотки статора зависит от тех же параметров, что и ЭДС первичной обмотки трансформатора, если принять = 1.

Частота этой ЭДС

. (11.6)

ЭДС, наведенная в обмотке ротора, имеет частоту

. (11.7)

В режиме двигателя частота ЭДС ротора при пуске равна частоте напряжения сети, а в рабочем режиме составляет несколько герц. Так, при = 0,04 частота ЭДС в роторе = 50·0,04 = 2 Гц.

ЭДС обмотки вращающегося ротора

,

где – обмоточный коэффициент для обмотки ротора, – число витков фазы обмотки ротора.

В короткозамкнутой обмотке в пазу находится один проводник, который представляет собой отдельную фазу. Поэтому = 0,5, а = 1.

У двигателя с фазным ротором

С учетом (11.7) ЭДС вращающегося ротора можно представить в виде

, (11.8)

ЭДС неподвижного ротора при = 1

. (11.9)

Следовательно, ЭДС вращающегося ротора (11.8) можно выразить через ЭДС неподвижного ротора

, (11.10)

т.е. ЭДС обмотки ротора прямо пропорциональна скольжению или обратно пропорциональна частоте вращения ротора. Максимальное значение ЭДС ротора в режиме двигателя соответствует скольжению = 1, т.е. при неподвижном роторе.

Из сравнения (11.5) и (11.9) следует, что асинхронная машина подобна трансформатору с коэффициентом трансформации по ЭДС

. (11.11)

По аналогии с трансформатором введем понятие ЭДС заторможенного ротора, приведенной к статору

. (11.12)

Кроме рассмотренных ЭДС обмоток статора и ротора, обусловленных результирующим (основным) магнитным потоком, в обмотках индуктируются ЭДС от потоков рассеяния:

в обмотках статора

, (11.13)

в обмотках ротора

. (11.14)

Составляющие напряжения сети, соответствующие ЭДС самоиндукции, представляют в виде

, (11.15)

где – индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной фазы статорной обмотки, и в виде

(11.16)

где – индуктивное сопротивление от потоков рассеяния одной фазы обмотки вращающегося ротора.

Под действием ЭДС ротора (11.10) в его обмотке протекает ток

. (11.17)

С учетом равенств и получаем

. (11.18)

Ток по (11.18) равен току (11.17), но отличается тем, что имеет частоту, равную частоте неподвижного ротора, т.е. частоте напряжения сети. Угол сдвига по фазе между ЭДС и током остается неизменным

.

Так как в цепях переменного тока с активными и реактивными элементами токи и напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе, то активные и реактивные сопротивления и проводимости можно складывать только квадратично.

При последовательном соединении элементов (рисунок 2.7а) полное сопротивление цепи определяется по формуле:

при параллельном соединении элементов (рисунок 2.7 б) полная проводимость цени определяется по формуле:

где g, b — соответственно активная и реактивная проводимость цепи.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОЛЬЖЕНИЯ ОТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АД.

Важнейшим параметром асинхронной машины является скольжение – величина, характеризующая разность частот вращения магнитного поля и ротора.

или (2.1)

В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, она может работать и в режиме электромагнитного торможения противовключением.

2.2.1. Двигательный режим

Работа машины электродвигателем частично рассмотрена в подразд. 2.1. Разгону двигателя предшествует его пуск. При пуске трехфазная обмотка статора подключается к сети. Протекающий ток создает вращающееся магнитное поле, оно вращается с частотой n₁, но ротор в силу инерционности небольшой момент времени остается неподвижным, n = 0, тогда при пуске

. (2.2)

По мере разгона частота вращения ротора n будет расти, а скольжение S уменьшаться. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя называют номинальным S_н. Для асинхронных двигателей общего назначения S_н= (1¸8) %, при этом для двигателей большой мощности
S_н = 1 %, а для двигателей малой мощности S_н = 8 %.

При помощи постороннего двигателя частота вращения ротора
машины может быть увеличена до скорости вращения магнитного поля, т. е. n = n₁

При этом скольжение

. (2.3)

В этом случае ротор и поле будут взаимно неподвижны, а токи в роторе и электромагнитные силы исчезнут. Такой режим называют идеальным холостым ходом асинхронной машины.

2.2.2. Генераторный режим

Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n > n₁. Так как ротор будет обгонять поле статора, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное, по сравнению с двигательным режимом. При этом скольжение станет отрицательным

. (2.4)

Эдс, наведённая в обмотке ротора, изменит свое направление. Токи и электромагнитный момент ротора изменят свое направление. Такой момент будет противодействовать вращению приводного двигателя. Таким образом, асинхронная машина, ротор которой вращается в направлении вращения магнитного поля с частотой, превышающей частоту поля, является генератором.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне 0 > S –¥, т. е. оно принимает любые отрицательные значения.

2.2.3. Режим электромагнитного тормоза

В режиме электромагнитного тормоза асинхронная машина работает тогда, когда её ротор и магнитное поле вращаются в разных направлениях. Например, машина работает в двигательном режиме. Если изменим порядок чередования фаз, подводимого к обмоткам статора напряжения, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении, т.е. ротор и поле статора будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора является отрицательной; поэтому скольжение имеет положительное значение

. (2.5)

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовклю­чением может изменяться в диапазоне 1

8 Особые режимы работы и виды асинхронных машин

2.8. Особые режимы работы и виды асинхронных машин

2.8.1. Асинхронный генератор

Теоретически скольжение АМ в режиме генератора может изменяться в пределах . Для осуществления этого режима работа АМ включается в сеть переменного тока и вращается посторонним двигателем частотой вращения n>n₁ в сторону вращения поля.

Перед включением АМ генератором ее следует раскрутить в сторону вращения поля до частоты n ≈ n₁. Так как в генераторном режиме , то активная составляющая вторичного тока изменяет свой знак по сравнению с двигательным режимом

,

следовательно, меняет знак и электромагнитный момент

.

Рекомендуемые файлы

Момент становится тормозным. Реактивная составляющая вторичного тока не меняет знак

,

в результате, можно построить векторную диаграмму асинхронного генератора (рис.2.40), имея виду, что .

Из векторной диаграммы следует, что активная составляющая первичного тока , так как , следовательно, P₁=m₁I₁U₁. Таким образом, в отличие от АД, асинхронный генератор не потребляет из сети активную мощность, а отдает ее в сеть, преобразуя механическую мощность с вала в электрическую. Об этом также свидетельствует изменение знака сопротивления , включаемое во вторичную цепь схемы замещения АМ, приведенной к работе трансформатором.

Это сопротивление становится отрицательным, следовательно, изменит знак и мощность, выделяемая в этом сопротивлении , что эквивалентно механической мощности .

Что касается реактивных составляющих первичного тока и первичной мощности, то они не меняют своего знака по сравнению с двигательным режимом

, Q₁=m₁ I₁U₁.

Таким образом, асинхронный генератор (АГ), как и АД, потребляет реактивный ток и реактивную мощность из сети. Следовательно, АГ может работать лишь на сеть, на которую одновременно работают источники, вырабатывающие реактивную мощность (СГ, конденсаторы). Это существенный недостаток АГ и он применяется относительно редко. Этот режим используется как побочный при использовании АД. Изобразим энергетическую диаграмму АГ (рис.2.41).

Режиму АГ соответствует нижняя часть круговой диаграммы.

Рассмотрим работу АГ в автономном режиме (рис. 2.42) . В этом случае к зажимам АМ подключается батарея конденсаторов. В этом случае АГ самовозбуждается, причем процесс самовозбуждения аналогичен процессу в генераторе постоянного тока с самовозбуждением (рис. 2.43).

Условия самовозбуждения – наличие остаточного потока ротора. При вращении ротора наводит в обмотке ротора , под действием которой протекает ток , который является одновременно намагничивающим током АГ.

Он вызывает увеличение ЭДС до значения , что вызывает дальнейшее увеличение тока и т.д. Самовозбуждение идет пока >U_c=I_cx_c и прекращается в точке А, в которой наступает равенство .

2.8.2. Режим противовключения (электромагнитного тормоза)

В этом режиме ротор АМ, подключенный к сети вращается в сторону, противоположную вращению поля, следовательно, частоте вращения ротора n

Режим работы асинхронной машины

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин (см. § В.2) асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генератор­ном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим.Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя рассмотрен в § 6.2. При включении обмотки статора в сеть трех­фазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмот­кой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стерж­нях обмотки ротора появляются токи (см. рис. 6.4). В результате взаимодействия этих токов с вращаю­щимся магнитным полем на роторе возникают элек­тромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под дейст­вием которого ротор асинхронного двигателя при­ходит во вращение с частотой n₂ = 0). При этом скольжение sравно единице.

Рис. 10.1. Режимы работы асинхронной машины

В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n₁и скольжение весьма мало отличается от нуля (s ≈ 0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжениемs_hom.Для асинхронных дви­гателей общего назначенияs_hom= 1 8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном = 1%, а для двигателей малой мощности s_ном=8%.

Преобразовав выражение (10.1), получим формулу для опре­деления асинхронной частоты вращения (об/мин):

Генераторный режим.Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного дви­гателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), яв­ляющегося источником механической энергии, вращать в направ­лении вращения магнитного поля статора с частотой n₂ > n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы пой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис. 10.1, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ перемен­ного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и да он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся маг­нитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне — ∞ 1. (10.3)

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1