Что такое естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

Что такое естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

3.2.9. Механическая характеристика асинхронного двигателя ( n = f (М) )

Из схемы замещения (см. рис. 3.16) имеем

;

.

Из условия получаем координату экстремальной (критической) точки

; .

Так как мало, то им можно пренебречь.

– формула Клосса.

Анализ механической характеристики (рис. 3.18).

Анализ выражения для определения момента показывает, что момент пропорционален квадрату приложенного напряжения, поэтому асинхронный двигатель очень критичен к изменению

Рис. 3.18. Механическая характеристика асинхронного двигателя

напряжения питания. Критический момент М _кр не зависит от сопротивления обмотки ротора , а критическое скольжение S _кр – от величины приложенного напряжения U _1ф . Асинхронный двигатель имеет малый пусковой момент, что создает проблемы при запуске двигателя под нагрузкой.

Изменения напряжения питания U и активного сопротивления R ₂ влияют на механические характеристики асинхронного двигателя (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Влияние U ( а) и R ₂ ( б) на механическую

характеристику асинхронного двигателя

Область работы асинхронного двигателя. Включает в себя область устойчивой работы двигателя 1– 2 и неустойчивой работы 2– 3 (рис. 3.20). В области устойчивой работы проявляется свойство саморегуляции скорости.

Для оценки перегрузочной способности двигателя вводится коэффициент перегрузки

.

При попадании в область неустойчивой работы двигатель останавливается.

Механическая характеристика электродвигателя(естественная,искусственная)

Вращающий момент электродвигателя должен преодолевать момент сопротивления на валу рабочей машины с учетом частоты ее вращения. Частота вращения у большинства электродвигателей зависит от вращающего момента, что позволяет оценивать их электромеханические свойства и, следовательно, пригодность в качестве привода той или другой рабочей машины. Зависимость частоты вращения двигателя от момента на его валу называется механической характеристикой электродвигателя.

У большинства электродвигателей с увеличением вращающего момента частота вращения уменьшается. В зависимости от степени изменения частоты вращения при изменении вращающего момента механические характеристики могут быть более жесткими или более мягкими.

Жесткость механической характеристики определяется величиной называемой степенью жесткости. По степени жесткости механические характеристики могут быть абсолютно жесткими, жесткими и мягкими.

При абсолютно жесткой механической характеристике частота вращения электродвигателя остается постоянной при изменении вращающего момента.

Такую характеристику имеют синхронные электродвигатели. При жесткой механической характеристике частота вращения электродвигателя -меняется незначительно при изменении вращающего момента. Такую характеристику имеют электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением и асинхронные электродвигатели (в пределах рабочей части характеристики).

При мягкой механической характеристике наблюдается значительное снижение частоты вращения с изменением вращающего момента. Такая характеристика наблюдается у электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Установившийся режим работы какого-либо механизма возможен только при равенстве вращающего момента и момента сопротивления. Если это равенство нарушается, то механизм будет работать в новом установившемся режиме при другой частоте вращения. Современные контрольно-кассовые устройства имеют несколько электроприводов. Компания Агро-Транзит предлагает широкий выбор оборудования для офисов и контрольно-кассовой техники.

Изменение частоты вращения обычно ограничивается определенными требованиями, выполнить которые можно только при согласовании механических характеристик электродвигателя и рабочей машины.

Механические характеристики электродвигателей могут быть естественными и искусственными.

• Естественные механические характеристики — это зависимость вида n=f(MB)при нормальных условиях работы электродвигателя, когда значения напряжения, тока и частоты вращения равны номинальным.
• Искусственные механические характеристики — это зависимость вида n=f(MB)для случаев, когда напряжение, подведенное к электродвигателю, отличается от номинального или когда в цепь якоря (ротора) включено дополнительное сопротивление.

Номинальный режим — это режим работы, для которого предназначен данный электродвигатель. Основные данные такого режима указаны в паспорте электродвигателя.

Номинальная мощность — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя при номинальных значениях напряжения, тока и частоты вращения.

Номинальный вращающий момент — это момент на валу электродвигателя при номинальных значениях мощности и частоты вращения.

Номинальная частота вращения — это скорость на валу двигателя при номинальных значениях напряжения и мощности.

Номинальный к.п.д. -это к.п.д. электродвигателя при номинальном режиме.

Начальный пусковой вращающий момент — это момент вращения, развиваемый электродвигателем при неподвижном роторе, номинальных напряжении и частоте и обмотках, соединенных соответственно номинальному режиму

Максимальный вращающий момент— это наибольший вращающий момент, развиваемый электродвигателем при номинальных напряжении, частоте и обмотках, соединенных соответственно номинальному режиму.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.004 сек.)

Характеристики асинхронных двигателей

Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика. Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис.2,а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис.2. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

на рис.2, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M_max двигатель развивает при некоторое скольжении s_kp, составляющем 10—20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном — его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В). Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис.2,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R₂ и возрастает s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 3) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М_п такого двигателя значительно больше, чем момент М’_п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рабочие характеристики.Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁ коэффициента полезного действия ? и cos?₁, от полезной мощности Р₂ = Р_mx при номинальных значениях напряжения U₁ и частоты f₁ (рис.4). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р₂ изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М₂ пропорционален мощности Р₂, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М_тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I₁, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р₂ = 0 имеется некоторый ток холостого хода I. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos?₁ асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис.3. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис.4. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.
Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U_ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений, фазные токи двигателя будут неодинаковы, и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

Построение естественной и искусственной механических характеристик для асинхронного двигателя

Страницы работы

Содержание работы

Задача №1

Построить естественную и искусственную механические характеристики ω = f(M) для асинхронного двигателя, имеющего данные: Р_н = 11 кВт, I_н = 41 А, Е_2н = 179 В, ω_н = 95,3 рад/с, М_кр/М_н = 2,5. Добавочное сопротивление в цепи ротора для получения искусственной характеристики R_д = 0,1 Ом.

Определяем номинальный момент:

115,42 Н/м;

Определяем критический момент:

288,56 Н/м;

Определяем скорость холостого хода:

104,72 рад/с;

где f — частота питающей сети, Гц;

р — число пар полюсов;

Определяем номинальное скольжение:

0,09;

Определяем критическое скольжение:

0,43

где λ— перегрузочная способность асинхронного двигателя.

Изменяя значение скольжений s от 1 до 0, по формуле рассчитывают значения момента, а по формуле w = w_о(1 — s) рассчитывают значения угловой скорости w и заполняем таблицу:

Задача №2

Определить число пусковых ступеней- m и величину сопротивления каж­дой ступени, двигателя постоянного тока последовательного возбуждения при условии, что I₁* = 2, I₂* = 1,35. Данные двигателя: Р_н = 16 кВт, U_н = 220В, η_н= 0,81,I_Н = 89 А, ω_н = 68 рад/с.

Данные универсальной характеристики:

Количество ступеней пускового реостата не задано, но исходя из мощности заданного двигателя, предполагаем, что m=2.

Определяем внутреннее сопротивление двигателя:

0,35 Ом;

Определяем общее сопротивление пускового реостата:

0,88 Ом;

при = 0 – скорость в момент пуска.

Определяем значение искусственной скорости при пусковом токе:

28,38 рад/с;

где 47,6 рад/с;

70,52 рад/с – величины скоростей полученные при помощи универсальных характеристик.

Определяем сопротивление второй ступени:

0,36 Ом;

Определяем значение искусственной скорости второй ступени:

53,5 рад/с;

При заданных моментах вторая ступень используется недостаточно эффективно, поэтому полагаем возможным уменьшить пусковой ток до 1,95.

Задача №3

Определить мощность двигателя, работающего по графику:

Определяем значение эквивалентного тока на треугольном участке:

А;

Определяем полный эквивалентный ток:

21,44 Нм;

Определяем расчётную мощность:

4,72 кВт.

Задача №4

Регулирование частоты вращения двигателя независимого возбуждения в системе Г-Д (привести схему).

Система «генератор — двигатель».

В этой системе, схема которой показана на рисунке 1, а, якорь 4 двигателя непосредственно присоединяется к якорю 3 генератора, образующего вместе с при­ водным двигателем 1 электромашинный выпрямитель 2 трехфазного пере­менного тока в постоянный, вращающийся со скоростью ω_г. Регулирование напряжения на якоре двигателя проис­ходит за счет изменения тока возбуж­дения генератора 1_{в г} с помощью потен­циометра 8, при этом изменяется ЭДС генератора Е и соответственно напряжение на якоре двигателя U. Регулирование напряжения в этой систе­ме может сочетаться с воздействием на магнитный поток двигателя, что обеспечит двухзонное регулирование скорости.

Регулирование магнитного потока двигателя осуществляется изменением I_вд за счет включения в цепь обмотки 5 возбуждения двигателя резистора б. В замкнутых ЭП питание обмотки 7 возбуж­дения генератора происходит от регулируемого источника посто­янного тока, например полупроводникового УВ. Характеристики системы Г — Д соответствуют приведенным на рисунке 1, б.

Основными достоинствами системы Г — Д являются большой ди­апазон и плавность регулирования скорости двигателя, высокая же­сткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы, в том числе и рекуперативного тор­можения. В то же время для нее характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность системы, низкий КПД, инерци­онность процесса регулирования скорости, шум при работе.

Задача №5

Начертить схему прямого пуска синхронного двигателя низкого напря­жения. Пояснить работу схемы.

При неподвижном роторе и подключении обмотки статора к сети переменного тока и обмотки возбуждения к источнику постоянно­го тока из-за постоянно изменяющихся взаимных направлений маг­нитных полей статора и ротора СД будет развивать не постоянный по направлению, а знакопеременный вращающий момент, а следо­вательно, не сможет разогнаться до синхронной скорости ω_о без при­менения специальных мер по его запуску.