Режим работы АМ и преобразование энергии

Режим двигателя

Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении (рис. 2.9). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 2.9) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

S=(n0−n)/n0 или S=[(n0−n)/n0]100%.

При пуске в ход асинхронного двигателя n=0,S=1. В режиме идеального холостого хода n=n0,S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах: 0<S≤1.

При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме:

Sн=(2÷5)%.

В режиме реального холостого хода асинхронных двигателей:

Sхх=(0,2÷0,7)%.

Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

Диаграмма активной мощности

Поступающая из сети мощность Р1 расходится на потери (эл) в обмотке статора

Р1=m1U1I1cosφ1

Pэл1=m1 R1

и магнитных потерь,

Рмг=m1Im2R0=

Оставшаяся мощность в зазоре

Рэм=Р1-Рэл-Рмг

- передается посредствам МП от статора к ротору через в.з

Оставшаяся часть электромеханической мощности преобразуется в механическую мощность Рмх

Рмх=Рэм-Рэл2

Рмг2 – не учитывают т.к.f2<<f1

Рмх=

Рмх расходуется на механические и добавочные потери (из-за высоких гармонических) – и численно равна потерям мощности в сопротивлении r2`

Р2=Р1-Σp η=

Рмх≡ Рдоб=0,005Р1

Диаграмма реактивной мощности

Q1=m1U1I1sinφ1

На создание полит. рассывая в первичной цепи расходует мощность

q1=m1 xб1

Реактивная мощность

Qм=m1E1I0=m1 x0

расходится на создание основного магнитного потока q1, а мощность

q2=m1(I2)2 =m2

на создание вторичных цепей рассеяния

Q1=Qм+q1+q2

Из-за наличия возд. зазора I0 у АД ↑, чем у тр-ра

Вращающий момент АД

Полную механическую мощность можно выразить через электромагнитный момент М

Рмех=МΩ

Ω- механическая угловая скорость вращения ротора (МУСВ)

МУСВ поля

т.к.

по схеме замкнутого двигателя (упрощенной без R₀)

тогда при m₁=3

зависимость

M=f(S) при U₁=const

f₁= const

Максимальные значения моментов (-M_ш, и +M_ш) при –S_кр и +S_кр (для отрицат. S_кр нужно )

т.к. R₁<<(х_б1+х_б2), то±

при S=1, М=М_max

|М_{max г}|=|М_{max g}| т.к. в двигат. режиме (0<S≤1) М – врщающий момент, а в генераторном режиме тормозящий

При увеличении скольжения от S=0 до S=S_ш(S_кр) М ↑ и ↑ S, далее при ↑ S → М ↓ при Т₂` ↑, т.к. с ↑ S ток I<sub>2</sub>` становится более индуктивным по этому I₂`<sub>а</sub>, определяющая М при ↑ S сначала растет с ↑ I<sub>2</sub>` и потом ↓, с ↑ I1 падение напряжения в первичной цепи ↑→Е↓, Ф↓

Мех. хар-ка АД

Полезный вращающий момент двигателяM₂<M_эм на величину

-ротору соответствует мех. и доб. потери, покрываемым за счет мех. мощности Р_мх на роторе

М₂=М-М₀

М₂=f(n₂) – мех. характеристика АД при U₁=const

f₁= const

При включении двигателя в сеть, МНС не обладает инерцией сразу же начинает вращение cn₁, а ротор из-за инерции еще стоит (n₂=0), S =1, М=М_пуск

Под действием этого момента ротор начинает вращаться, S↓, М↑, до М_кр потом ↓, так до(•) М_н, где М=М_ст

При больших скольжениях R₂`↑ из-за эффекта вытеснения тока в стержнях, а х<sub>б1</sub> и х<sub>б2</sub>`↓ из-за насыщения

Рабочие хар-ка АД

Графические зависимости частоты n₂, n, момента на валу М₂, cosφ₁, I₁, Р₁ от Р₂, при U₁=const, f₁=const, эти хар-ки позволяют находить основные соотношения

Скоростная хар-ка n₂=f(Р₂) или S=f(Р₂)

n₂= n₁(1-S)

- т.е. определяется эл. потери в роторе и Рэм.

При ХХ Р_э2=0, S_хх=0, n_2О= n₁

При Р₂↑→ Р_Э2↑ за счет роста тока I₂

При Р₂↑ угол наклона увеличивается т.к. ↑ эл. потери в роторе.

М₂=f(Р₂) - несколько криволинейны

хор-ка, т.к. М₂↑ несколько быстрее Р₂ в связи ↓n₂( )

При малых нагрузках I₁ невелик (I₁=I₀) и является реактивным.

При Р₂↑ растет I_а1→cosφ₁ , при дальнейшем Р₂↑, х_2б↑ cosφ₁↓

В целях ↑ cosφ₁ АД надо, чтобы двигатель работал в режиме номинальном.

Если он недогружен, то для ↑cosφ₁ нужно U₁ ↑ , так в двигателях, где обмотка статора в «Δ» нужно обмотку статора соединить в «Υ», уменьшить тем самым U в раз, активная составляющая тока ↑ , → cosφ₁↑

n=f(Р₂) при Р₂↑> Р_2н, резко растут переменные потери Р_Э1, Р_Э2, Р_20δ, ~

Пуск в ход и регулирование скорости вращения

Пуск в КЗ ротором

1. Примет (на полное U₁) так резко возрастает до I_пуск, по мере разгона двигателя → I↓

2. Когда I_пуск очень большой применяют спец схемы: переключением обмотки статора с «Υ» на «Δ». В начале на «Υ» - потом на «Δ»

Т.е. I_пуск ↓ в 3 раза т.к.

В Δ: В Υ:

Фазное напряжение на статоре при Υ ↓ и соотношение IФ=IЛ то же в итого: =3

3. На понижении напряжения

4. Реакторный (одна фаза)

5. Автотрансформаторный

6. С фазным ротором – включение активного сопротивления в цепь ротора.

Режим генератора

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).

В режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

0>S>−∞.

Энергетическая диаграмма активной мощности

Энергетическая диаграмма реактивной мощности аналогична диаграмме реактивной мощности двигателя.