Главная Обратная связь

Дисциплины:






Контрольная работа № 2. Двигатели переменного тока также имеют несколько разновидностей



Теоретическая часть

Двигатели переменного тока также имеют несколько разновидностей. Наиболее важными из них являются двигатели трехфазного тока: асинхронные с короткозамкнутым (АДК) или фазным (АДФ) ротором и син­хронные (СД).

В сравнении с двигателями постоянного тока асин­хронные двигатели проще, дешевле, надежнее в эксплуа­тации и не требуют преобразования трехфазного пере­менного тока, получаемого непосредственно от завод­ских сетей, в постоянный ток.

Конструктивная схема трехфазного асинхронного АДК приведена на рис.2.1,а. Шихтованный статор машины 1 имеет равно­мерно расположенные по внутренней расточке пазы, в которые уложены три фазы обмотки. Оси обмоток фаз пространственно сдвинуты на 120° относительно друг друга. При включении обмотки статора в трехфазную сеть переменного тока в фазах протекают переменные токи IА, IВ, Ic, которые создают переменные н. с. FA, FВ и Fc, изменяющиеся во времени по синусоидальным за­конам со сдвигом во времени на 1/3 периода переменного тока.

 

Рис.2.1. Конструктивная схема (а); механические характеристики АДК (б)

 

Вследствие сдвига по времени максимумы магнитных потоков фаз наступают поочередно в последовательности — фаза А, фаза В, фаза С, что приводит к вращению ре­зультирующего магнитного поля машины со скоростью

(2.1)

где: f1 — частота сети переменного тока, Гц; 2р — число пар полюсов; n1 – скорость вращения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором, об/мин.

Так как число пар полюсов может выражаться толь­ко числами натурального ряда 1, 2, 3, 4 и т. д., то при промышленной частоте синхронная скорость двига­теля может иметь лишь вполне определенные значения: 3 000, 1 500, 1 000, 750 об/мин и т.д. соответственно.

Ротор двигателя 2 на рис.2.1,а имеет короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки 3 и находится во вращающемся со скоростью n1 магнитном поле, созда­ваемом обмоткой статора. Вращающееся магнитное поле, пересекая проводники ротора, наводит в них э. д. с., под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекают токи, вокруг которых создается свое магнитное поле. В результате взаимо­действия этих магнитных потоков, возникает потокосцепление, создающее момент М, увлекающий ротор в направлении вра­щения поля статора.

Электродвижущая сила роторной обмотки зависит от относительной скорости пересечения полем проводников ротора, которую принято называть скольжением асинхронной машины. Скольжение s, %, определяется по формуле (2.2)

 

(2.2)

где n2 — скорость вращения ротора.

Электромеханические свойства АДК можно установить, рас­сматривая его механическую характеристику (кривая 1 на рис.2.1,6). При вращении ротора с синхронной ско­ростью n = n1, скольжение s = 0, соответственно равны нулю э. д. с. ротора и развиваемый машиной момент М. При увеличении нагрузки на валу ротор начинает отста­вать от поля, скольжение возрастает, что вызывает рост момента двигателя М до значения, определяемого на­грузкой на валу. При этом скорость несколько умень­шается, оставаясь близкой скорости n1. В пределах ра­бочих нагрузок характеристика асинхронного двигателя подобна характеристике двигателя с независимым воз­буждением (кривая 1 на рис.1.3).



Однако при дальнейшем росте нагрузки механичес­кая характеристика асинхронного двигателя все больше отклоняется от прямой, скорость уменьшается с возра­станием М все быстрее. При увеличении нагрузки на валу до значений, превышающих критический момент машины Ммакс. дальнейшее снижение скорости вызывает не возрастание момента двигателя, а его уменьшение и двигатель быстро останавливается.

Важным параметром АДК является пусковой момент Мп, который он развивает при n=0, т. е. в начале пуска. У АДК нормального исполнения пусковой момент намного меньше, чем критический мо­мент Ммакс. Это обстоятельство осложняет пуск двигателей под нагрузкой, поэтому конструкторы при­нимают меры для увеличения пускового момента. С этой целью, например, можно увеличить сопротивление короткозамкнутой роторной обмотки, применив для ее из­готовления сплав с большим удельным сопротивлением. Характеристика двигателя при увеличении сопротивле­ния роторной клетки примет вид кривой 2 на рис.2.1,6. Рассматривая ее, можно установить, что при изменении сопротивления ротора критический момент не изменяет­ся, пусковой момент увеличивается, но одновременно уменьшается скорость вращения двигателя в рабочей зоне характеристики и уменьшается к. п. д. двигателя. Двигатели, изготовленные с повышенным сопротивлением роторной клетки, назы­ваются двигателями с повышенным скольже­нием.

Другим способом увеличения пускового момента является изготовление ротора с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой. В этом случае сопротивле­ние роторной обмотки переменно — при малых скоростях оно больше, чем в рабочей зоне. Характеристика двигателя с двойной беличьей клеткой представлена на рис.2.1,6 (кривая 3).

Кроме того, в специальном многоскоростном исполнении этот двигатель обеспечивает ступенчатое регулирование скорости (практически не больше четырех ступеней).

АДФ имеют на роторе трехфазную обмотку, аналогичную статорной. Зажимы обмотки ротора выведены на контактные коль­ца, поэтому в цепь ротора такого двигателя можно включать добавочные пусковые и регулировочные сопро­тивления, или тиристорный преобразователь. Схема включения двигателя с фазным рото­ром показана на рис.2.2,а. На рис.2.2,6 показаны механи­ческие n=f(M) и электромеханические n=f(I1) харак­теристики, где I1 — ток фазы статорной обмотки. Механическая характеристика 1 соответствует работе двигателя с замкнутыми накоротко кольцами. Сравнивая ее с кривой 1 на рис.2.1,6, можно убедиться, что они аналогичны по форме, но пусковой момент двигателя с фазным ротором при n = 0 обычно меньше, чем у короткозамкнутого.

Кривая 1' представляет соответствующую механи­ческой характеристике 1 зависимость n=f(I1). При включении добавочного сопротивления RД2 в цепь ротора пусковой момент двигателя увеличивается, а пусковой ток IП — уменьшается (кривые 2 и 2' на рис.2.2,6).

Рис.2.2. Схема включения АДФ (а); его характеристики (б).

 

По­этому, вводя пусковой реостат в цепь ротора, можно получить достаточный пусковой момент при небольшом токе статора, а затем постепенно по мере разгона дви­гателя вывести его, замкнуть кольца накоротко и ра­ботать со скоростью, мало отличающейся от синхронной. Это важное преимущество АДФ перед АДК. При эксплуатации асинхрон­ных двигателей необходимо учитывать, что при снижении напряжения сети пусковой и критический моменты снижаются пропорционально квадрату напряжения сети.

АДФ успешно при­меняются для механизмов, работающих с частыми пус­ками и остановками под нагрузкой и требующих регулирования скоро­сти в первой зоне.

Благодаря простоте и надежности асинхронные дви­гатели получили на практике наиболее широкое приме­нение, хотя их возможности до середины 20 века в отношении регулирования скорости были весьма ограничены.

Для построения естественной механической характеристики как АДК, так и АДФ, на практике используют упрощенную формулу Клосса:

, (2.3)

где Мi – текущий момент на валу двигателя, Нм; Мmax – максимальный или критический момент, развиваемый данным двигателем, Нм; si – скольжение, соответствующее текущему моменту, %; sk – критическое скольжение, %.

При практических расчетах используют обычно данные таблиц 3.1-3.5 [], в которых приведены пусковые свойства двигателей:

ü моменты в относительных единицах - (2.4а,б,в)

ü скольжение в % - sk ; sном

где Мп –пусковой момент конкретного двигателя, Нм; Мм.доп. – максимально допустимый при запуске двигателя момент (он может быть равен номинальному, но всегда меньше критического), Нм; Ммах - максимальный или критический момент, развиваемый данным двигателем, Нм; sном – номинальное скольжение, %; sk – критическое скольжение, %.

Для определения Мном нужно использовать формулу (1.1б) с номинальными значениями мощности и частоты вращения ротора кокретного двигателя. Для определения номинальной частоты вращения ротора нужно использовать формулу (2.2), заменив в ней понятие числа вращения ротора (n) на понятие частоты вращения ротора ( ).

С 70-х годов прошлого века появилось так называемое частотное регулирование. При этом способе регулирования обязательно выполнение закона, при котором

=const (2.5)

где - изменяемая частота напряжения питающей сети, Гц; - изменяемая амплитуда напряжения питающей сети, В.

Выполнение этого закона позволяет сохранять жесткость рабочей части механической характеристики в обеих зонах, сохраняя при этом высокий к.п.д. и cos .

Конструктивная схема СД пред­ставлена на рис.2.3,а. Статор 1 не имеет отличий от рас­смотренного выше статора асинхронного двигателя. Его трех­фазная обмотка создает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем ротора 2, создаваемым обмоткой возбуждения. Через контактные кольца 3 обмотка возбуждения подключается к источнику посто­янного тока. Постоянный ток IВ превращает ротор в по­стоянный магнит, который притягивается к соответст­вующему полюсу вращающегося магнитного поля и вра­щается с ним синхронно со скоростью n1. При увеличении нагрузки на валу ось ротора отклоняется на угол от оси вращающегося поля статора; силы притя­жения, возрастая, вызывают увеличение момента двига­теля М, но скорость остается постоянной. При достиже­нии некоторого предела нагрузки ротор отрывается от вращающегося поля — двигатель выпадает из синхро­низма. Поэтому механическая характеристика синхрон­ного двигателя имеет вид, представленный на рис.2.3,б прямой 1.

 

Рис.2.3 Конструктивная схема (а); характеристики (б) синхронного двигателя.

 

В процессе пуска синхронный двигатель работает как асинхронный. С этой целью на его роторе размещается короткозамкнутая пусковая обмотка 4. Пусковая меха­ническая характеристика двигателя показана на рис.2.3,б (кривая 2).

СД различаются по конструкции ротора:

ü явнополюсный ротор с электромагнитным возбуждением; с возбуждением дополнительным постоянным магнитом; без дополнительного возбуждения;

ü неявнополюсный ротор.

В промышленности наибольшее применение находят СД с явнополюсным ротором с электромагнитным возбуждением мощностью более 250 кВт, которые в режиме перевозбуждения при холостом ходе используются как синхронные генераторы реактивной энергии (синхронные компенсаторы). Синхронные компенсаторы позволяют повысить коэффициент мощности всего предприятия, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность использования электроэнергии.

 

 

Варианты ДЗ №2

 

№ варианта № диаграммы (см.рис.1.4) М1, М2, М3, М4 t 1 t 2, t 3, t 4, n 2
Н*м Н*м Н*м Н*м с с с с об/мин
е
д
г
в
б
а
е
д
г
в
б
а
е
д
г
в
б
а
е
д
г
в
б
а
е
д
г
в
б
а

 

Алгоритм выполнения контрольной работы №2

 

Дано:

M1=30 Н∙м; М2=50 Н∙м; М3=70 Н∙м; М4=60 Н∙м; t1=500 c; t2=300 c; t3=400 c; t4=8200c; n2=998об/мин; n1=1000об/мин. . Род тока и напряжения – переменный 380 В.

Рис.2.4 Заданная временная диаграмма моментов производства механизма

 

1.По заданным значениям моментов и времени и с учетом изменения нагрузки, показанной на заданной диаграмме (на данной диаграмме: М1и М3 - неизменяющиеся моменты за соответствующие промежутки времени t1 и t3, а М2 и М4 – изменяющие свое значение за соответствующие промежутки времени t2 и t4), строим временную диаграмму моментов для заданного механизма (рис.2.5).

Рис.2.5 Временная диаграмма моментов для заданного механизма

 

2. Определяем продолжительность включения

 

ПВ= ; (2.6)

3. Определяем эквивалентный момент по формуле 2.7. Из таблицы 2.1 выбираем коэффициент , учитывающий продолжительность включения двигателя:

 

ПВ
0,2 0,4 0,6 0,8

 

Мэкв= Н*м; (2.7)

 

где Mi - момент в определенный промежуток времени, Нм; ti - продолжительность данного промежутка, сек.; Σtраб - суммарное время работы двигателя, сек.; Σtn - суммарное время пауз в работе, сек.

Учитывая, что Σtn =0, получаем:

 

Мэкв=

 

4. Находим необходимую эквивалентную мощность, исходя из эквивалентного момента и заданной частоты вращения якоря:

, Вт (2.8)

Рэ = 70 * 104,46 =7312,2

5. Находим заданное скольжение, используя формулу 2.2.

 

Sзад=(1000-998) 100%/1000=0.2%

6. Искомую номинальную мощность двигателя принимаем равной:

Pном=(1.1-1,3)∙PЭ

7. Из полученного интервала мощностей, номинальной частоты вращения, а также по скольжению по таблицам 2.1 – 2.6 [] выбираем двигатель, определяем его номинальные значения и пусковые свойства (таблицы 3.1 – 3.2). Выбран двигатель типа 4А132М6У3: Р=7,5кВт; nном= 970 об/мин; КПД=85,5; Sк= 26%; Sном= 3,2%; mmax= 2.5; mmin= 1.8; mп= 2.0

8. Строим естественную характеристику, используя формулы 2.3; 2.4а,б,в.[2]

Рис.2.6.Естественная механическая характеристика

9. Для определения требуемой зонности регулирования, выносим в большем масштабе рабочую часть естественной характеристики (прямая 1) на отдельный график, затем проводим прямую, соответствующую заданному скольжению (прямая 5 на рис.2.7), на которой отмечаем заданные в условии моменты. В данном случае имеем однозонное регулирование (искусственные характеристики расположены только во 2-ой зоне –прямые 2,3,4).

Рис.2.7

 

10. Способ регулирования, наиболее целесообразный в данном случае, это - регулирование частотой и амплитудой питающего напряжения.


[1] Жесткостью характеристики называется отношение приращения момента М2 к приращению скорости вращения вала двигателя ni . Абсолютно жесткой является характеристика, параллельная оси моментов.Такой характеристикой обладает синхронный двигатель с явнополюсным ротором с электромагнитным возбуждением.

[2] Для построения характеристики в пакете MahtLab целесообразно заменить в формуле 2.3. Мi на f(x), а si на x.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...