Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя

Характеристики электродвигателей

Правильный выбор электродвигателя для производственного механизма – залог его нормальной и экономичной работы. Если электродвигатель подобран правильно, это упростит систему управления электроприводом и возможно удешевит стоимость электропривода. Как известно электропривод должен обеспечивать не только постоянство установившихся значений (скорость, момент), но и динамических (переходных процессов, таких как ускорение, тормозной момент, пусковой момент и т.д.).

Основным критерием для подбора электродвигателей используют зависимость, на которой отображают значение момента М электродвигателя и скорости вращения вала n при действии этого момента. Такая зависимость имеет название механическая характеристика n=f(M). По механическим характеристикам производят анализ электромеханических свойств двигателя, а также оценивают целесообразность применения его для различного рода механизмов и устройств. Они могут быть двух видов: естественные и искусственные.

Естественные механические характеристики: они снимаются при влиянии на двигатель номинальных параметров (номинальный ток, сопротивление обмоток, напряжение, момент сопротивления и т.д.). То есть двигатель подключается к источнику питания без каких-либо преобразовательных устройств – прямым включением.

Искусственные механические характеристики: их снимают при введении в цепь двигателя дополнительных элементов (резистор добавочный) или при пониженном напряжении питания, частоте (если двигатель переменного напряжения) и т.д. То есть на механическую характеристику двигателя производят искусственное влияние.

Также различают механические характеристики по изменению скорости вращения вала в зависимости от увеличения момента. Они оцениваются по жесткости:

и крутизне наклона:

Чтоб определить жесткость механической характеристики необходимо знать изменение скорости и момента на заданном участке зависимости n=f(M). Соответственно все расчеты жесткости ведутся либо в процентах, либо в относительных единицах.

Также механические характеристики можно отсортировать по группам:

Абсолютно жесткая – при изменении момента нагрузки, скорость вращения вала остается неизменной. Как пример – характеристика синхронной машины.

• Жесткая – когда скорость уменьшается немного при увеличении момента нагрузки. Как пример, двигатели постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ или линейная часть характеристики асинхронного двигателя.
• Мягкая – при увеличении момента нагрузки изменения в скорости вращения довольно существенные. К таким относят двигатели постоянного тока последовательного возбуждения ДПТ ПВ.

Ниже приведен график различных механических характеристик электродвигателей:

1. – это абсолютно жесткая синхронной машины
2. – жесткая ДПТ НВ
3. — мягкая ДПТ ПВ
4. – мягкая ДПТ смешанного возбуждения
5. – асинхронного двигателя

Подбор электродвигателя определяется требованиями производственных механизмов. В таком производстве как прокатка металла, изготовление бумаги или картона, требуется четкое поддержание постоянства скорости, а такие механизмы, как подъемные и транспортные, не требуют жестких характеристик (в тяговых электроприводах используется ДПТ ПВ, также он применяется в некоторых крановых механизмах).

7.1. Принцип действия асинхронного двигателя

Двигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели (АД) в свою очередь делятся на двух и трехфазные, из которых в качестве исполнительных двигателей в системах автоматического управления в основном применяются маломощные двигатели до 300 Вт.

Их преимущества перед ДПТ: малая инерционность, бесконтактность, дешевизна.

Их недостатки в сравнении с ДПТ: большие тепловые потери, малый пусковой момент, нелинейные характеристики.

Принцип действия рассмотрим на примере двухфазного асинхронного двигателя, с полым ротором в виде алюминиевого стакана. На статоре этого двигателя расположены две обмотки. Эти обмотки расположены на магнитопроводе под углом 90 друг к другу. На эти обмотки подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 90 друг к другу. Под действием этих напряжений в обмотках протекают токи I₁, I₂, также синусоидальные и сдвинутые по фазе на 90. Будем считать, что амплитуды их равны. Эти токи, в свою очередь, создают в магнитопроводе два пульсирующих вектора магнитной индукции и, соответственно два магнитных потока, равных по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 друг к другу в пространстве и времени. Они суммируются, и создается результирующий магнитный поток, имеющий постоянную амплитуду и вращающийся по окружности с частотой w, где w=2p¦, а ¦ — частота сети.

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы (рис. 70).

Рис. 70. Двухфазная система

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы В_А и В_В, характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90, то В_А= В_msin(wt) и В_В= В_msin(wt-90).

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции Вна оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 70 равен,

при этом для тангенса угла a , образованного этим вектором с осью абсцисс, можно записать

, откуда a=wt.

Полученные соотношения показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой , описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Симметричная трехфазная система катушек также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле. Рис. 71. Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Катушки питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 120. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

; ; .

Произведя аналогичные расчеты, получим, что модуль результирующего вектора магнитной индукции равен В=1,5 В_m, и также вращается в пространстве с постоянной угловой частотой ,

Рис. 71. Трехфазная система

Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают ротор двигателя, выполненный, например, в виде алюминиевого стакана. В материале ротора наводятся вихревые токи, которые взаимодействуют с вращающимся магнитным потоком статоре и создают движущий момент. Под действием этого момента ротор начинает раскручиваться и набирает скорость до тех пор, пока движущий момент не будет уравновешен моментом, создаваемым нагрузкой.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля, так как в случае их равенства результирующий магнитный поток будет неподвижен относительно ротора, вихревых токов не будет, и, следовательно, не будет движущего момента. Поэтому двигатель называется асинхронным. Величина отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля характеризуется скольжением.

При заторможенном роторе S=1, в идеальном случае при вращении со скоростью поля S=0.

Используются различные конструкции ротора АД. Есть трехфазные АД с фазным ротором, при этом на роторе также намотаны три, пространственно сдвинутых обмотки. В эти обмотки обычно включают внешние сопротивления (реостаты), которыми ограничивается пусковой ток и может регулироваться скорость вращения ротора. Двухфазные АД изготавливают с короткозамкнутой обмоткой: в виде беличьего колеса; в виде вала или стакана из проводящего материала. .Рис 72, 73, 74.

Рис. 72. Трехфазный АД с фазным ротором

Рис. 73. Ротор АД в виде беличьей клетки (а) и в виде стакана (б)

Уравнение механической характеристики ДПТ с НВ

С учетом третьего уравнения в (4.1) уравнение (3.2) можно переписать в виде зависимости — которая представляет собой механическую характеристику ДПТ:

(3.7)

Данное уравнение определяет зависимость угловой скорости вращения от момента на валу двигателя. Т.к. в статике вращающий момент равен моменту сопротивления на налу ДПТ, то это уравнение определяет зависимость от .

Следует отметить, что величина электромагнитного момента превышает выходной момент на валу на величину, соответствующую потерям в стали и механическим потерям от трения, но в большинстве практических расчетов указанными потерями можно пренебречь.

Коэффициент пропорциональности можно считать постоянным для тех ДПТ с НВ, у которых имеются компенсационные обмотки или в случае, когда можно пренебречь влиянием реакции якоря на величину . В общем же случае влияние поперечной реакции якоря на величину магнитного потока ведет к нарушению линейности механической характеристики по мере увеличения тока.

Графическое изображение механической характеристики

Из выражения (3.7) следует, что графически механическая характеристика ДПТ с НВ может быть представлена прямой линией с двумя характерными точками — скоростью холостого хода и моментом короткого замыкания , который также называется пусковым. Величина определяется по формуле

(3.8)

C введением добавочного сопротивления в цепь якоря жесткость механических характеристик также падает, что с успехом используется при регулировании скорости вращения ДПТ.

По аналогии с электромеханическими характеристиками различают естественную и искусственные механические характеристики.

Уравнения механической характеристики можно переписать в виде

, (3.9)

где .

Способы регулирования угловой скорости вращения

Из уравнения механической характеристики (3.7) следует, что принципиально может регулироваться изменением , и .

Следует отметить, что естественный перепад угловой скорости вращения с увеличением нагрузки не входит в понятие регулирования .

Диапазон регулирования скорости вращения

Одним из основных параметров, характеризующих способы регулирования угловой скорости вращения, является диапазон регулирования . который в электроприводе определяется как отношение максимальной скорости вращения к минимальной :

. (3.10)

Как правило, диапазон регулирования представляют в числах в виде соотношения, например, 100:1 и т. п. Естественно диапазон регулирования увязывается с требуемой стабильностью скорости при заданном отклонении момента.

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения (3.7) при изменении питающего напряжения можно получить семейство параллельных механических характеристик (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Механические характеристики ДПТ с НВ при различных напряжениях на якоре:

Фактически имеется возможность только уменьшать напряжение питания якоря относительно его номинального значения , т.е. возможно регулировать угловую скорость вращения только вниз от основной (соответствующей естественной характеристике). Это обусловлено тем, что уже на стадии своего проектирования ДПТ рассчитывается на конкретное номинальное напряжение, превышение которого может привести к пробою изоляции.

Реостатное регулирование угловой скорости вращения ДПТ с НВ

Это один из простейших способов регулирования угловой скорости вращения. Схема его реализации представлена на рис. 3.1.

Из уравнения механической характеристики (3.7) следует, что при постоянном моменте сопротивления на валу можно получить различные установившиеся значения угловой скорости вращения ниже основной.

Жесткость механических характеристик уменьшается с увеличением величины добавочного сопротивления .

Диапазон регулирования скорости практически не превышает 2:1. Способ характеризуется большими тепловыми потерями на добавочном сопротивлении .

Предыдущая3Следующая

Рекомендуемые страницы:

Механическая характеристика

Как основная, помогает проводить детальный анализ работы электродвигателя. Она выражает непосредственную зависимость частоты вращения самого ротора от электромагнитного момента n=f (M).

Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Существуют технические способы расчетов и построения механической характеристики с учетом данных паспорта.

В первоначальной точке 1 n0=60f/p (p – количество пар полюсов). Поскольку nн и Mн непосредственно координаты точки 2, расчет номинального момента производится по формуле Mн=9,55*Рн/ nн, где Рн — номинальная мощность. Значение nн указано в паспорте двигателя. В точке 3 Mкр=Mнλ. Пусковой момент в точке 4 Mпуск=Mн*λпуск (значения λ, λпуск — из паспорта).

Механическая характеристика, построенная таким образом, называется естественной. Изменяя другие параметры можно получить искусственную механическую характеристику.

Полученные результаты дают возможность проанализировать и согласовать механические свойства самого двигателя и рабочего механизма.

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_вг 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.

Рекомендуемые файлы

Техническое задание
Инженерия требований и спецификация программного обеспечения
FREE

Маран Программная инженерия
Программаня инженерия
FREE

Антидемидович
Математический анализ
FREE

рабочая тетрадь инжа
Инженерная графика

Тогда величина максимального момента определится:

.                      (4.31)

Для определения критического скольжения сначала находят величину номинального скольжения:

                                               .                                     (4.32)                                       

Если подставить значения и (4.31 и 4.32) в уравнение механической характеристики (4.29), то можно определить величину  

                                .                      (4.33)

Подстанавливая значения  и в уравнение механической характеристики (4.29), получим уравнение механической характеристики с числовыми коэффициентами. Задаваясь различными значениями скольжения  можно вычислить по уравнению механической характеристики соответствующие значения момента и скорость , а затем по полученным данным строятся естественная механическая характеристика: или .

При наличии обмоточных данных АД порядок построения естественной характеристики следующий.

Определяются приведенные сопротивления обмоток АД

где k_тр=коэффициент трансформации по ЭДС АД.

Определяется критическое скольжение

Угловая синхронная скорость вращения

Рассчитываются критические моменты АД в двигательном и генераторном режимах АД

Производится расчёт механических характеристик с использованием выражений

где а=

Для этого задаются значениями скольжения S>0 и S_к>0 для двигательного режима и S<0, S_к<0 для генераторного режима и производят расчёт характеристик или .

4.4.2 Искусственные механические характеристики асинхронного двигателя при введении в цепь ротора дополнительного сопротивления строятся с использованием естественной механической характеристики.

Критическое скольжение для естественной характеристики  определяется по формуле:

                  .             (4.34)

Критическое скольжение на искусственной реостатной характеристике :

.    (4.35)

Определим отношение критических скольжений:

                            .                          (4.36)

Отсюда критическое скольжение на искусственной характеристике:

                                .                                (4.37)

Уравнение искусственной механической характеристики при введении в цепь добавочного сопротивления  будет иметь вид:

                               .                                      (4.38)

Уравнения естественной механической характеристики:

                                  .                                   

Если момент и на искусственной и естественной характеристиках равны, то в этом случае можно записать следующее равенство:

.

Это равенство может быть выполнено только при условии:

                                   .                                     (4.39)

Если подставить в это выражение вместо его значение (4.37), получим:

                                                               (4.40)

Отсюда

                         .                              (4.41)

Т. е. скольжение на искусственной характеристике во столько раз больше скольжения на естественной характеристике, во сколько раз полное сопротивление фазы ротора больше сопротивления обмотки ротора.

Пользуясь выражением (4.41) и имея естественную механическую характеристику, можно легко построить искусственную механическую характеристику.

Для этого задается произвольными значениями момент двигателя, затем определяют по естественной механической характеристике соответствующие этим моментам скольжение . Зная сопротивление  (ротора) и  (дополнительное сопротивление) находят значения (4.41) и строят искусственную механическую характеристику.

Сопротивление одной фазы обмотки ротора можно определить, используя расчетные данные двигателя, по одной из формул:

.

— синхронная угловая скорость;

Отсюда

.                              (4.42)

Если учесть, что , то получим:

, Ом                         (4.43)

или

, Ом                            (4.44)

где — номинальная мощность двигателя, кВт;

      — номинальный ток ротора, А;

      — номинальная ЭДС ротора при неподвижном роторе.

Иногда требуется построить искусственную механическую характеристику двигателя при напряжении сети, отличном от номинального, например, при .

Информация в лекции «7 Основные принципы охраны окружающей среды» поможет Вам.

Из ранее рассмотренного известно, что критическое скольжение не зависит от напряжения сети, а вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.

При одинаковых скольжения на искусственной и естественной характеристиках моменты будут относится:

Следовательно, искусственная характеристика при может быть получена из естественной, если абсциссы естественной характеристики пересчитать в соответствии со следующим выражением

                                    (4.45)

Устройство асинхронной машины

Схематичное устройство асинхронной машины

Классическая асинхронная машина состоит из 2 основных частей: ротора (подвижной) и статора (неподвижной). Три отдельные фазы составляют обмотку статора. С1, С2 и С3 — обозначения начала фаз. С3, С4 и С5 — соответственно концы фаз. Все они подсоединены к клеммному разъему по схеме звезда или треугольник, что показано на рисунках а, б, в. Схему выбирают учитывая паспортные данные двигателя и сетевое напряжение.

Статор создает внутри электродвигателя магнитное поле, которое постоянно вращается.

Ротор различают короткозамкнутый и фазный.

В короткозамкнутом скорость вращения не регулируется. Конструкция с ним проще и дешевле. Однако пусковой момент у него слишком мал по сравнению с машинами, у которых фазный ротор. Здесь скорость вращения регулируется за счет возможности ввода дополнительного сопротивления.

Рабочие характеристики

Причем частота электрического тока и напряжение неизменны, в отличие от нагрузки.

Как правило, рабочие характеристики асинхронного двигателя строятся в диапазоне значений скольжения от 0 до значения, превышающего номинальное на 10%. Это зона, где машина работает устойчиво.

Частота вращения ротора n2 уменьшается при возрастании нагрузки на валу. Но эти изменения не превышают 5%. Ток I1 растет, поскольку при последующем увеличении нагрузки его активная составляющая превышает реактивную.

СОSφ при холостом ходе мал. Но затем он возрастает. При повышенных нагрузках СОSφ уменьшается из-за возрастающего внутри обмотки ротора реактивного сопротивления.

КПД холостого хода равен 0. С увеличением нагрузки наблюдается его резкий рост, а впоследствии, снижение.

Модели смешанного возбуждения

Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.

В условиях смешанного типа возбуждения:

Двигатель смешанного возбуждения

Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.