Кузнецов М.И. Конспект лекций по электромеханике

Подождите немного. Документ загружается.

синхронные моменты будут сильно проявляться.

Рис. 121

Синхронные моменты могут быть ослаблены за счет скоса пазов и правильного выбора

соотношений зубцов статора и ротора.

3. Вибрационные силы и моменты

Зубцовые и другие магнитные поля статора и ротора, образующие синхронные моменты,

проявляющиеся не только при взаимном синхронном их вращении, но и при любых других

скоростях вращения. В этом случае они образуют периодически меняющиеся вращающиеся

моменты, которые в течение одного полупериода направлены в сторону вращения ротора, а в

течении другого полупериода в обратном направлении. Такие периодически меняющиеся

моменты могут создавать вибрации ротора и статора, которые становятся особенно заметными

при наличии резонансных явлений. При неблагоприятных соотношениях зубцов статора и ротора

могут возникнуть не только тангенциальные, но так же и радиальные магнитные силы

притяжения, действующие на статор и ротор и перемещающиеся вдоль окружности воздушного

зазора при вращении ротора, эти силы вызывают вибрацию машины.

Анализ этих процессов показывает, что вибрационные силы и моменты проявляются

особенно сильно, если

PZZ 21



PZZ 42



3-4-5. Круговая диаграмма асинхронной машины

Рабочие и другие характеристики асинхронного

двигателя, определяющие рабочие свойства машины,

могут быть получены:

1. Путем непосредственной нагрузки.

2. Расчетным путем (определение параметров и

расчет характеристик).

3. Косвенным методом (по данным опыта холостого

хода и короткого замыкания). Используя данные опыта

холостого хода и короткого замыкания можно

построить упрощенную круговую диаграмму, а из нее

получить данные для построения рабочих

характеристик.

Из Г–образной схемы замещения

 

201

III



















Обозначим в рабочей ветви, рис 122

111

Rrc 

111

Xxc 

Rrc 



Xxc 



тогда

ток -

 

XXj























Геометрическим местом тока





является

окружность, рис. 125.

Построение круга диаграммы.

Из опыта холостого хода для U

находим

и I

, I



3 IU

Cos



Sin

и определяем

SinI

CosI

а по ним строится вектор тока хх – I

, задавшись масштабом тока m

(A/см)

Для построения точки А, где S = 1 приводим ток I

, мощность Р

и Cos

к номинальному

напряжению I

 U

. Из рис. 125.

овU





, откуда

овU

кп



















ккн

РР

пн

кн

Cos



Sin

Откладываем отрезок

нп

SinIDО 



нп

CosIАD 

получаем точку А. Соединив точку А с

О получим хорду окружности. Опуская перпендикуляр из середины хорды до линии

ОО



получим центр окружности



Построение линии OF. Определение точки В.

Рис. 122

Рис. 123

Рис. 124

Рис. 125

АС

ВС



кн

r 

, r

- известно

откуда отрезок

АСВС



Получим точку В. Соединив точку О с В и продлив до окружности получим точку F где S =

. Мощность

3  UCosP

, т.е.

IICosP

111



 ICosIdE

Задавшись m

, определим масштаб мощности

mmUm



Тогда мощность

mEP 

Pвэм

mEP 

Как получить данные из круговой диаграммы для построения рабочих характеристик?

, I

, , Cos

, S, n = f(P

)

Задавшись током I

= (0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25) I

Табл. 1

= 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25

cos 

Рис. 126

Рис. 127 Рис. 128



Для каждого значения тока I

определяем p

cos 

S, n,  и сводим в таблицу 1.

mEP 

Cos





3. S =

 

Snn  1





нв

IЕ 

По данным таблицы строятся рабочие характеристики. Скольжение определяется по рис.127.

Общий вид рабочих характеристик представлен на рис.128.

3-4-6. Пуск трехфазных асинхронных двигателей

Основные величины, которые определяют режим пуска, являются пусковой ток I

пусковой момент М

. При пуске возникают большие токи, которые снижают напряжение в сети,

а у асинхронных двигателей

UM 

. В короткозамкнутых асинхронных двигателях

 

нп

II 75 

, М

мал. У двигателей с фазным ротором

 

нп

II 5,22 

, М

- большой. При

тяжелых условиях пуска применяют двигатель с фазным ротором.

Способы пуска.

1. Пуск под номинальным напряжением.

2. Пуск при пониженном напряжении:

а) Реакторный

б) Автотрансформаторный

в) Пуск посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник

3. Пуск двигателя с фазным ротором.

3-4-6-1. Пуск под номинальным напряжением (прямой пуск)

Прямой пуск асинхронных двигателей простой и нет необходимости в дополнительной

аппаратуре.

Недостатки:

а) большие пусковые токи, что снижает напряжение в сети, а

UM 

б) большие ударные электромагнитные моменты

в) большие динамические усилия возникают в обмотках статора.

Поэтому асинхронные двигатели большой мощности пускаются при пониженном

напряжении.

3-4- 6-2. Пуск при пониженном напряжении

а) реакторный способ пуска, рис. 129.

При пуске для ограничения пускового тока в фазы двигателя

включается сопротивление реактора, т.е.





часть напряжения падает на реакторе, а на двигатель

подается пониженное напряжение. После разгона

асинхронного двигателя ток в статоре уменьшится, уменьшится падение напряжения на

реакторе. Напряжение на двигателе возрастет. Затем замыкают контакторы К и двигатель

подключается на полное напряжение.

Обозначим

пс



- коэффициент допустимой кратности,

Рис. 129

пс





пусковой момент

пс

rIm

M 













псп

KM 

т.е. если уменьшить ток в 2 раза (К

пс

), момент уменьшиться

в 4 раза. Это является недостатком реакторного способа пуска.

б) автотрансформаторный способ пуска, рис. 130.

пд

U 

пд

I 

Рис. 130

где К

– коэффициент трансформации автотрансформатора.

пд

пc

I 

пдп

UM 















Отсюда мы видим, что если пусковой ток уменьшается в

раз, то и момент пусковой во

столько же раз, т.е. больше чем при реакторном пуске.

Порядок пуска: замыкается контактор К

, подается напряжение на автотрансформатор,

двигатель при этом пускается при пониженном напряжении. После разгона размыкается

контактор К

, и автотрансформатор работает как реактор, затем замыкается контактор К

и на

двигатель подается полное напряжение.

в) пуск посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник, рис. 131.

При пуске обмотка статора соединена в звезду,

фазное напряжение меньше линейного на

поэтому пусковой ток уменьшится. После разгона

двигателя обмотку статора переключают в

треугольник. При соединении обмотки статора в

звезду пусковой ток и пусковой момент

уменьшаются в 3 раза по сравнению с пуском при

соединении обмотки статора в треугольник.

пфпс



пф

I 



пспл





Рис. 131

отнесем





пс

Yп

















cп

UM 



необходимо учитывать, что при пуске момент уменьшается в 3 раза.

3-4-6-3. Пуск двигателя с фазным ротором

Пуск этого двигателя происходит при

полном напряжении. Но за счёт введения

активного сопротивления в роторную

цепь увеличиваем пусковой момент и

уменьшаем пусковой ток, рис. 132.

Пуск производится в несколько ступеней.

Это делается для того, чтобы уменьшить

время пуска.

Рис. 132

3-5. Асинхронные двигатели с обмоткой ротора специального исполнения

Как было установлено, что одним из способов улучшения пусковых характеристик

асинхронного двигателя является повышение активного сопротивления в цепи ротора.

Однако наличие пусковых сопротивлений, переключающих устройств, контактных колен,

повышает стоимость, снижает надёжность и усложняет эксплуатацию. Эти недостатки можно

избежать, применяя роторы специального исполнения, имеющие К.З. обмотки в виде беличьей

клетки, активные и индуктивные сопротивления которых меняются в процессе пуска в ход. по

мере разбега с изменением частоты. В роторах подобных конструкций используется эффект

вытеснения тока.

Вообще для асинхронных двигателей

необходимо отметить такое противоречие:

Если активное сопротивление в роторе

большое, то пусковой момент большой, а ток

пусковой ограничен, т.е. получаются

хорошие пусковые характеристики, а рабочие

характеристики получаются плохими, т.к.

при том же моменте сопротивления на валу,

скольжение возрастёт, а это приведёт к

ухудшению рабочих характеристик. И

наоборот, если активное сопротивление

ротора будет малым, то рабочие характеристики будут

Рис. 133

хорошими (скольжение мало), пусковые характеристики плохими ( рис.133).

Асинхронные двигатели с обмоткой ротора специального исполнения решают эти

противоречия компромиссно.

3-5-1. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с глубоким пазом на роторе

В этой конструкции стержни заложены в пазы ротора, имеют большие радиальные

размеры по сравнению с шириной. Конструкции стержней имеют следующий вид (рис.134):

Идея эффекта вытеснения тока в стержне следующая:

При пуске n = 0, скольжение = 1, а частота в роторе f

= f

Ток в стержне созданный основной ЭДС будет иметь поля рассеяния, которые будут

изменяться с частотой = 50 Гц и наводить в нижней части стержня (проводник находиться

в железе) ЭДС, которая создает вихревые токи направленные встречно основному току и

будут вытеснять его на периферию (к зазору), (рис.135). Площадь прохождения тока

уменьшается, что приводит к увеличению активного сопротивления, а индуктивное

сопротивление стержня уменьшится, т.к. магнитная проводимость полям рассеяния

уменьшается, и как следствие это приводит к улучшению пусковых характеристик.

По мере разгона ротора частота f

уменьшается, а следовательно и частота пересечения

стержня полями рассеяния уменьшится. Уменьшатся вихревые токи и основной ток будет

глубже проникать в стержень(рис.136).

При скольжении S = S

частота f

= 2-3 Гц и влиянием потоков рассеяния можно

пренебречь и ток в стержне ротора будет проходить по всей площади стержня, что

приведет к тому, что активное сопротивление ротора будет малым, а это приведет к тому,

что рабочие характеристики будут благоприятными.

Обычно сопротивление r

возрастает в 3-4 раза, а индуктивное сопротивление

снижается на 30-40% при S = 1.

При клинообразной форме стержня эффект вытеснения проявляется в большей

степени, т.е. r

возрастает сильнее. Вытеснение тока проявляется только в стержне пазовой

части. Активные и индуктивные сопротивления роторной цепи запишутся:

лrп

rKrr

222

)(











лxп

XKXX

222

)(











где



- сопротивления при S = S

; K

- коэффициент увеличения активного

сопротивления при S = 1; K

- коэффициент снижения индуктивного сопротивления при S

= 1.

 

 fKK

где





ст

 - приведенная высота стержня

h - высота стержня

ст

- ширина стержня

- ширина паза

- частота ЭДС ротора

 - удельное сопротивление материала ротора.

Рис. 134

Рис. 136

Рис. 135

На рис.137 представлено изменение активного и индуктивного сопротивления обмотки

ротора при изменении S = 1  0.

Так как параметры

 



 



переменны для различных скольжений, то

геометрическим местом тока I, не будет окружность, а будет сложная кривая

представленная на рис.138.

Следует отметить, что за счет большего рассеяния роторной обмотки сos

1н

перегрузочная способность будет меньше, чем у двигателей с круглым стержнем на

роторе.

Кратность пускового тока

65,4 

Кратность пускового момента

4,10,1 

3-5-2. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с двойной клеткой на роторе

Принцип работы: При пуске работает пусковая обмотка, обладающая большим

активным сопротивлением, что улучшает пусковые характеристики (



пп

IМ ,

). При

скольжении S  S

работает рабочая обмотка, имеющая малое активное сопротивление,

что обеспечивает хорошие рабочие характеристики. Расположение стержней

представлено на рис. 139.

Рис. 139

Идея: При пуске в ход (f

 f

) индуктивное сопротивление нижней клетки

значительно больше, чем верхней, так как она расположена глубже в пазу, поэтому

пусковой ток ротора будет проходить главным образом по верхней клетке, обладающей

большим активным сопротивлением, это обеспечивает большой пусковой момент и

пониженный пусковой ток. По мере разбега двигателя частота f

уменьшается, и ток

постепенно перераспределяется между клетками. При малых скольжениях индуктивное

сопротивление обмоток ротора ничтожно малы и токи в клетках распределяются обратно

пропорционально их активным сопротивлениям. Поэтому основной ток в роторе проходит

Рис. 137

Рис. 138

преимущественно по рабочей обмотке, имеющей меньшее активное сопротивление. При

малом активном сопротивлении роторной обмотки рабочие характеристики получаются

хорошими.

Рис. 140 Рис. 141

На рис.140 представлено изменение моментов пусковой и рабочей обмотки, а также

суммарного момента при S = 10. На рис.141 показано изменение эквивалентных

сопротивлений

)(



)(



роторной цепи при S = 10. Так как параметры роторной

цепи при изменении скольжения изменяются, то геометрическим местом конца вектора

тока I не будет окружность, будет представлять собой сложную кривую.

Если параметры схемы замещения выразить через постоянные коэффициенты, то ток

статора можно представить следующим выражением:

CSBSA

FSESD







На рис.142 показано геометрическое место конца вектора I

Конструкция двигателя сложнее, но он обладает большим пусковым моментом,

поэтому применяется там, где необходимы повышенные пусковые моменты

(транспортеры, дробилки, шаровые машины и т. д.).

Кратность пускового тока:

64 

Кратность пускового момента

22,1 

Рис. 142

Cos

и перегрузочная способность этого двигателя

ниже, чем у двигателя с одной клеткой (круглой) на

роторе, т.к. магнитное рассеяние в роторе больше, чем у

одной обмотки.

Характер изменения момента (механические

характеристики) для различных двигателей показан на

рис. 143.

Рис. 143

У двигателей с глубоким пазом и с двойной клеткой М

кр

уменьшается из-за большого

магнитного рассеяния на роторе.

3-6. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для асинхронного двигателя частота вращения ротора определяется по формуле

 

Snn  1

, или

 

n  1

откуда видно, что скорость вращения ротора можно регулировать:

1. f = var - изменять частоту подводимого напряжения.

2. p = var - изменять число пар полюсов.

3. S  r

- изменять скольжение:

а) сопротивлением r

в цепи ротора.

б) введением E в роторную цепь.

3-6-1. Регулирование частоты вращения двигателя изменением частоты

Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя необходим

преобразователь частоты. При регулировании необходимо стремится к тому, чтобы с

изменением частоты не ухудшались рабочие характеристики.

Для чего необходимо, чтобы с изменением частоты f поток

оставался постоянным

(

ФfU 

)

constФ



т.е. при регулировании частоты одновременно необходимо

регулировать и напряжение. Регулирование скорости с

условием

const



является экономичным. Для поддержания 

, Cos, , как показали исследования

можно достичь этого, если выполняется условие



Регулирование изменением частоты происходит плавно. На рис.144 представлены

механические характеристики при различных значениях частоты.

3-6-2. Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения числа пар

полюсов

Это способ регулирования является ступенчатым. Переключение производится

обмоткой статора с одной синхронной скорости на другую. Обычно ротор при этом

короткозамкнутый.

Наибольшее распространение получили обмотки с переключением числа полюсов 1:2.

Кроме того, имеются обмотки разработанные Харитоновым для станков, которые

переключают число полюсов как 1:2, так и отличных от этого соотношения. Кроме того, в

промышленности используются обмотки на принципе - Полюсной амплитудной

модуляции, разработанной англичанином Райклифом. Мы рассмотрим обмотки только

при переключении числа полюсов 1:2.

Рис. 144