Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД Для того, чтобы векторы ЭДС, напряжений и токов обмоток статора и ротора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, необходимо все параметры обмотки ротора привести к обмотке статора. Т.о. обмотку ротора с числом фаз m 2, обмоточным коэффициентом k об 2 и числом витков w 2 заменяют обмоткой с числом фаз m 1, обмоточным коэффициентом k об 1, и числом витков w 1. Пересчет реальных параметров обмотки ротора выполняется при условии, что все мощности и фазовые сдвиги векторов ЭДС, напряжений и токов обмотки ротора после приведения должны остаться такими же, что и до приведения. При неподвижном роторе ( S =1 ) получаем для ЭДС, где - коэффициент трансформации напряжений в АМ при неподвижном роторе
Отсюда и Для тока ротора получим, Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД где - коэффициент трансформации токов в АМ В АД с короткозамкнутым ротором каждый стержень обмотки ротора рассматривают как одну фазу: m 2 = Z 2, k об 2 = 1 и w 2 = 0,5 уравнение напряжений для цепи ротора в приведенных параметрах примет вид:
Этим уравнениям соответствует схема замещения АД, на которой магнитная связь обмоток статора и ротора заменена электрической: Уравнения напряжений и токов для приведенной АМ Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД Активное сопротивление можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку неподвижного ротора
Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД АД аналогичен трансформатору, работающему на активную нагрузку. Сопротивление - единственный переменный элемент схемы замещения. Значение этого сопротивления определяется скольжением, и, следовательно, механической нагрузкой на валу двигателя. В режиме холостого хода: M 2 =0 и S 0, при этом Если момент нагрузки на валу АД превышает его вращающий момент M с > M 2 и двигатель останавливается, то S = 1 при этом что соответствует режиму короткого замыкания. Более удобной для практического применения является Г-образная схема замещения АД, у которой намагничивающий контур вынесен на входные зажимы схемы
Приведение параметров обмотки ротора и схема замещения АД Г-образная схема замещения асинхронного двигателя Для того, чтобы намагничивающий ток I 0 не изменил свое значение, в этот контур последовательно включают r 1 и x 1. Схема замещения имеет два контура: намагничивающий и рабочий. Для уточнения параметров рабочего контура вводят коэффициент Для АД с мощностью P >1 кВт коэффициент с 1 1 Тогда ток в рабочем контуре: Или при с 1 = 1
Электромагнитный момент и механические характеристики АД Электромагнитный момент АД создается в результате взаимодействия тока в обмотке ротора и вращающегося магнитного поля где - угловая синхронная скорость вращения т.к. то следовательно, электромагнитный момент АД пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора. Подставим значение тока где и - приведенные сопротивления обмотки ротора
Электромагнитный момент и механические характеристики АД Зависимость называется механической характеристикой M S S кр M max Двигатель Электромагнитный тормоз Генератор Электромагнитный момент АД пропорционален квадрату напряжения сети Устойчивая работа АД возможна при скольжениях меньше критического M п 1 M н S н -S кр -M max
Рабочие характеристики АД К рабочим характеристикам относятся зависимости от полезной мощности : - частоты вращения - полезного момента (момента на валу) - коэффициента полезного действия - коэффициента мощности - тока статора при U 1 – const и f 1 – const Скоростная характеристика n 2 P 2 n 1 0 и - скольжение АД и его частота вращения определяются отношением электри-ческих потерь к электромагнитной мощности Увеличение активного сопротивления ротора r 2 приводит к росту наклона характеристики.
Рабочие характеристики АД Зависимость полезного момента (момента на валу) от полезной мощности М 2 P 2 0 Зависимость коэффициента мощности от полезной мощности P 2 0 0,2 0,8 P 2 н В режиме х.х. При нагрузке близкой к номинальной При нагрузке более номинальной снижается из-за возрастания x 2 за счет увеличения скольжения
Рабочие характеристики АД Зависимость тока статора от полезной мощности P 2 0 В режиме х.х.: - индуктивная, намагничивающая составляющая тока Дальнейший рост в основном за счет увеличения активной составляющей
Пусковые свойства АД определяются значениями пускового тока I п и пускового момента М п : В момент пуска S =1 Два пути улучшения пусковых свойств АД: Уменьшение U 1 снижение и I п, и М п Увеличение. снижение I п и увеличение М п Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором а) пуск непосредственным включением в сеть: Применяется в АД мощностью до (30 ÷ 50) кВт пусковой ток I п = (5 ÷ 7) I н, но значительный М п
б) пуск при пониженном напряжении: снижение пускового тока I п сопровождается снижением пускового момента М п Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором M S M пн 1 U 1 н M п = 0,64 M пн U 1 = 0,8 U 1 н Понижение напряжения посредством реакторов и автотрансформаторов С1 С4 С2 С3 С5 С6 А В С М АТр С1 С2 С3 С4 С5 С6 А В С М G1 G2 G3
- переключением обмотки статора со звезды на треугольник А В С С1 С2 С3 С4 С5 С6 S М « ∆ » « Y » б) пуск при пониженном напряжении: Пуск асинхронных двигателей с к. з. ротором
С1 С2 С3 С4 С5 С6 А В С ПР 3 2 1 M н M S 1 М макс 3 2 1 S н
h J, А/мм 2 Пуск S= 1 f 2 = f 1 ·S = f 1 h J, А/мм 2 Работа S н = 0,05 f 2 = f 1 ·S = 0,05 ·f 1 - двигатель с глубокими пазами на роторе - эффект «вытеснения тока» - пазы ротора «бутылочной формы» - двигатель с двумя клетками на роторе пусковая рабочая
Регулирование частоты вращения АД Частоту вращения ротора АД можно регулировать изменением: 1) скольжения S ; 2) частоты тока в обмотке статора f 1 ; 3) числа пар полюсов в обмотке статора p. 1) Изменение скольжения возможно: а) изменением подводимого напряжения; б) нарушением симметрии этого напряжения; в) изменением активного сопротивления обмотки ротора. S M M н U 1 н U 1 =0,8 U 1 н S н S ' S кр 1.а изменением подводимого напряжения Недостатки этого способа: - узкий диапазон регулирования; - неэкономичность регулирования (необходимость в дополнительном оборудовании).
Регулирование частоты вращения АД 1.б нарушением симметрии подводимого напряжения Вращающееся магнитное поле становится эллиптическим и приобретает обратную составляющую, создающую тормозящий момент М обр. С1 С4 С2 С3 С5 С6 А В С М АТр Недостатки этого способа: - узкий диапазон регулирования; - снижение КПД при увеличении несимметрии. 1.в изменением активного сопротивления обмотки ротора M н M S 1 М макс r д =0 S н r д 1 ≠ 0 r д 2 > r д 1 S 1 S 2 Возможно лишь в АД с фазным ротором Недостатки этого способа: - неэкономичность (из-за роста потерь в цепи ротора); - рост влияния нагрузки на частоту вращения; - регулирование n 2 только « вниз». Достоинство: - обеспечение улучшенных пусковых характеристик.
Регулирование частоты вращения АД 2) Изменением частоты тока в статоре: т.е. изменением синхронной частоты вращения за счет использования источников питания с регулируемой частотой тока - преобразователей частоты (электромашинных, ионных, полупровод-никовых и т.д.) Достоинство: широкий диапазон регулирования (до 12:1) Недостаток: преобразователь частоты значительно удорожает установку. Этот способ применяется: 1) для одновременного регулирования группы АД, работающих в одинаковых условиях; 2) в пожаро и взрывоопасных средах, где применение коллекторных двигателей недопустимо. 3) Изменением числа полюсов обмотки статора - путем укладки такой обмотки, конструкция которой позволяет получать различное число полюсов, переключая катушечные группы. Ступенчатое регулирование (при f 1 =50 Гц ) p 1 2 3 4 5 n 1, об/мин 3000 1500 1000 750 600 Применяется только в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. (В АД с фазным ротором пришлось бы переключать и обмотку ротора.)
Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели Принцип действия однофазного АД Устройство однофазного АД: - статор, в пазах которого уложена однофазная обмотка; - короткозамкнутый ротор. При включении в сеть МДС обмотки статора создает пульсирующий магнитный поток, который можно разложить на два потока Ф пр и Ф обр, вращающихся в противоположные стороны с частотой n пр = n обр = n 1. Скольжение ротора относительно потока Ф пр скольжение ротора относительно потока Ф обр С1 С2 М U 1
Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели Например, при n 1 =1500 об/мин и n 2 =1450 об/мин S пр = 0,033 и S обр = 1,967, т.е. S пр < S обр Следовательно, частота токов в роторе, наведенных прямым и обратными потоками f 2 обр >> f 2 пр, а индуктивное сопротивление обмотки ротора току I 2 обр во много раз больше активного сопротивления. Этот ток I 2 обр является почти чисто индуктивным и оказывает сильное размагничивающее влияние на обратное поле Ф обр и тогда M обр << M пр. В результате однофазный АД имеет вращающий момент M = M пр - M обр M S M M пр 0 1 2 0,5 1,5 M обр 0 1 2 0,5 1,5 График M = f ( S ) может быть получен наложением графиков M пр = f ( S ) и M обр = f ( S ) При S пр = S обр = 1 момент M пр = M обр Пусковой момент однофазного АД равен нулю
Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели Для создания пускового момента необходимо во время пуска создать вращающееся магнитное поле. С этой целью применяют пусковую обмотку В. Обмотки А и В располагают на статоре со смещением на 90 эл. градусов. Токи в обмотках статора I А и I В должны быть сдвинуты по фазе на 90 0. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (чаще всего С ). I А I В U 1 А В А + В =90 0 После достижения частоты вращения близкой к номинальной пусковую обмотку отключают. С1 С2 М П2 П1 ФЭ Пуск I В I А А В U 1
Асинхронные конденсаторные двигатели На статоре две обмотки, занимающие одинаковое число пазов и сдвинутые в пространстве на 90 эл. градусов. Главную обмотку А включают непо-средственно в сеть, а вспомога-тельную обмотку В включают в ту же сеть, но через конденсатор С раб. Вспомогательная обмотка В после пуска не отключается. Таким образом, если однофазный АД работает с пульсирующей МДС статора, то конденсаторный АД - с вращающейся МДС. Для повышения пускового момента параллельно конденсатору С раб включают пусковой. конденсатор С пуск, емкость которого рассчитывается из условия получения кругового поля при пуске двигателя. Емкость конденсатора С раб, необходимая для получения кругового вращающегося поля где - коэффициент трансформации. М С раб. Пуск I В I А А В С пуск. U 1
