ЛЕКЦІЯ 32

4.4.3 ЗАЛЕЖНІСТЬ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО МОМЕНТУ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА ВІД НАПРУГИ МЕРЕЖІ

Аналізуючи (4.58), (4.60) та (4.63) можна зробити висновок, що електромагнітний момент асинхронного двигуна, а також його максимальне та пускове значення пропорційні квадрату напруги, яка підводиться до обмотки статора: М_ем º U₁². Одночасно, згідно з (4.59), випливає, що критичне ковзання не залежить від величини напруги мережі U₁ (значення U₁ відсутнє в формулі критичного ковзання). Це дає можливість побудувати характеристики М_ем = f (s) для різних значень напруги (рис. 4.20) із яких випливає, що коливання напруги мережі U₁ відносно номінального значення U_1ном супроводжується не лише зміною максимального М_макс та пускового М_пуск моменту, а і зміною ковзання (наприклад при номінальному моменті М_ном від s'' до s'), а отже і частоти обертання ротора. Зі зниженням напруги, частота обертання знижується (ковзання зростає) і навпаки. Зміна напруги впливає на величину максимального та пускового моментів, а отже і на перевантажувальну l та пускову m спроможності асинхронного двигуна, тому що номінальний момент, який є механічним моментом на валу, не залежить від величини напруги. Така залежність моменту від напруги мережі є ще одним суттєвим недоліком асинхронного двигуна, адже досить часто, при зростанні навантаження, напруга в мережі знижується, а це негативно впливає на роботу двигуна. Так, якщо напруга мережі U₁ знизилась на 30 %, тобто, стала U₁ = 0,7 U_1ном то максимальний і пусковий момент знизяться більш ніж у два рази: М'_макс = (0,7)²_* М_макс= 0,49 М_макс. На таку ж величину зменшується і пускова та перевантажувальна спроможності, тому, якщо при номінальній напрузі l = М_макс / М_ном = 2, то при зниженні напруги на 30 % перевантажувальна здатність двигуна l' = М'_макс / М_ном = 0,49; (М'_макс / М_ном)_*2 = 0,49_*2 = 0,98; тобто двигун при такому зниженні напруги не може нести навіть номінального навантаження, а це призведе до його зупинки і, в кінцевому результаті, до виходу з ладу. Часте навіть короткочасне зниження напруги мережі викликає підвищення температури обмотки статора і, як наслідок, виходу її із ладу. Пояснюється це тим, що для урівноваження гальмівного моменту навантаження, при зниженні напруги буде частково зростати струм статора, а частково знижуватись частота обертання. Обидва ці фактори підвищують втрати в двигуні, а отже і температуру активних частин. Повернення напруги мережі до номінального значення не приведе до зниження температури, адже умови охолодження залишаться такими ж як і до зниження напруги, і, як результат, обмотка виходить з ладу.

4.4.4 ЗАЛЕЖНІСТЬ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО МОМЕНТУ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА ВІД АКТИВНОГО ОПОРУ В КОЛІ РОТОРА

Як випливає з (4.60) значення максимального моменту М_макс асинхронного двигуна не залежить від зведеного активного опору в колі ротора R₂'. Що ж стосується критичного ковзання s_кр то, як видно із (4.59), воно пропорційне R₂'. Таким чином, якщо у асинхронному двигуні поступово збільшувати зведений активний опір кола обмотки ротора (R₂₁'; R₂₂'; R₂₃'; R₂₄'), то значення максимального моменту буде залишатися незмінним М_макс, а критичне ковзання буде зростати (s_кр1; s_кр2; s_кр3 = 1; s_кр4 > 1) (рис. 4.21). При цьому пусковий момент М_пуск спершу буде зростати (від М_пуск1 до М_пуск3), а потім, після досягнення значення М_пуск = М_макс (при s_кр3 = 1), почне знижуватись (М_пуск4).

Аналіз графіків М_ем = f (s) (рис. 4.21) також показує, що зміна опорів обмотки ротора R₂' супроводжується більш значною зміною ковзання s, у порівнянні з тим, як змінювалось воно (а отже і частота обертання п₂) при зміні напруги (рис. 4.20).

Вплив активного опору обмотки ротора на форму механічних характеристик використовується при проектуванні двигунів. Наприклад, якщо двигун загального призначення повинен мати жорстку характеристику n₂ = f(P₂) (рис. 4.22), тобто працювати з незначним номінальним ковзанням, то активний опір R₂' його обмотки ротора виконується малим. Цим досягається і підвищення ККД двигуна за рахунок зниження електричних втрат в обмотці ротора, які пропорційні ковзанню (4.50). В той же час, вибраний активний опір обмотки ротора R₂' повинен забезпечити двигуну необхідний пусковий момент, так як значне зниження R₂' знижує і пусковий момент. При необхідності мати значний пусковий момент доводиться збільшувати опір R₂',а отже ковзання і втрати в двигуні.

Слід зазначити, що зміна опору в колі ротора при експлуатації асинхронного двигуна можлива лише у двигунів з фазним ротором, шляхом ввімкнення додаткових опорів через контактні кільця і щітки. Так як така зміна дозволяє покращити пускові характеристики двигуна і дає можливість регулювати його частоту обертання в досить широких межах, то це вигідно відрізняє двигун з фазним ротором, від двигуна з короткозамкненим ротором.

4.4.5 РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Робочі характеристики асинхронного двигуна (рис. 4.22) уявляють собою графічні вирази залежностей частоти обертання n₂, коефіцієнта корисної дії h, корисного моменту (моменту на валу) М₂, коефіцієнта потужності cos j₁ від корисної потужності на валу P₂ при U₁ = U_1ном = const і f₁ = f_1ном = const. Досить часто до цих характеристик додаються залежності струму статора І₁ та потужності P₁, що споживаються з мережі від потужності P₂.

Швидкісна характеристика n₂ = f (P₂). Частота обертання ротора асинхронного двигуна може бути визначена, згідно з (4.3) та (4.49):

n₂ = n_{1 *}(1 – P_e2 / P_eм), (4.66)

тобто, частота обертання ротора пов’язана з відношенням електричних втрат в обмотці ротора до електромагнітної потужності P_ем.

Нехтуючи електричними втратами в роторі при НХ (P_е2 »0), можна вважати, що частота обертання ротора при НХ приблизно рівна синхронній частоті (n₀ » n₁). При зростанні навантаження на валу електричні втрати P_e2 будуть зростати, тому частота обертання знижується, а отже крива n₂= f (P₂) уявляє собою криву, незначно нахилену до осі абсцис. Якщо ж активний опір обмотки ротора R₂' збільшити, то відповідно зросте і кут нахилу кривої частоти обертання до осі абсцис. В цьому випадку зміна частоти обертання, при коливаннях навантаження, зростає.

Моментна характеристика М₂ = f (P₂). Залежність корисного моменту на валу двигуна М₂ від корисної потужності P₂ визначається виразом:

М₂ = Р₂ / w₂ = 60 Р₂ /2p_* n₂ = 9,55 P₂ / n₂. (4.67)

Із цього випливає, що при n₂ = const графік М₂= f (P₂) є пряма, що проходить через початок координат. Але в асинхронному двигуні зростання P₂ викликає незначне зменшення частоти обертання, тому корисний момент на валу зростає дещо швидше, ніж навантаження, а отже графік М₂ = f (P₂) має криволінійний вигляд.

Залежність h = f (P₂). При НХ асинхронний двигун ніякої корисної роботи не виконує, тому залежність h = f (P₂) розпочинається з нуля. Якщо збільшувати навантаження до точки КЗ, то в цій точці двигун також не буде виконувати корисної роботи, і його ККД буде знову дорівнювати нулю. Між цими двома точками ККД зростає до максимального значення (0,8 – 0,95), при навантаженнях близьких (0,7 –0,8) Р_ном, при яких змінні втрати двигуна рівні постійним.

Залежності І₁, Р₁ = f (P₂). Струм І₁ та потужність Р₁, що споживаються з мережі, при НХ називаються відповідно струмом та втратами НХ. Струм І₀, як і у трансформатора, є намагнічувальним і створює основне магнітне поле. Але, на відміну від трансформатора, через наявність повітряного зазору в магнітній системі, він набагато більший, ніж у трансформатора, і складає (20 – 50) % від номінального струму І_1ном.

Потужність Р₀ витрачається на покриття механічних P_мех, магнітних Р_маг, та електричних втрат в обмотці статора від струму НХ І₀.

При зростанні навантаження струм І₁ і потужність Р₁ зростають, при цьому Р₁ зростає дещо

швидше, ніж струм І₁, через зростання коефіцієнта потужності.

Залежністьcos j₁ = f (P₂) . Шляхи підвищення коефіцієнта потужності. В зв’язку з тим, що магнітний потік створюється реактивною (індуктивною) складовою струму І₁, коефіцієнт потужності асинхронного двигуна менше одиниці за рахунок споживання цього струму з мережі. Найменше значення cos j₁ буде мати при НХ, це пояснюється тим, що намагнічувальний струм І₀, практично, залишається незмінним при будь-якому навантаженні. Тому при малих навантаженнях струм статора майже повністю складається з реактивного струму. В результаті зсув струму обмотки статора І₁ відносно напруги мережі U₁ виявляється досить значним (j₁ » j₀) лиш дещо менший від 90 ⁰ (рис. 4.23), отже cos j₀ »(0,1 – 0,2).

При зростанні навантаження на валу машини, зростає активна складова частина струму І₁ і коефіцієнт потужності збільшується, досягаючи максимального значення (0,8 – 0,9) при навантаженні близькому до номінального. Подальше збільшення навантаження викликає зниження cos j₁. Це пояснюється зростанням індуктивного опору обмотки ротора (X_2s = Х_{2 *} s) за рахунок збільшення ковзання, а отже, і частоти струму в роторі.

Слід зазначити, що коефіцієнт потужності є важливим техніко-економічним показником роботи електричної мережі, а так як асинхронні двигуни це основні споживачі електричної енергії, то підвищення cos j₁ асинхронних двигунів відповідно веде до підвищення ефективності роботи мережі. При правильному виборі потужності двигуна (перший шлях підвищення cos j₁), він завжди, або більшу частину часу, буде працювати з навантаженням близьким до номінального, а отже, матиме найбільше значення коефіцієнта потужності. Іншим шляхом підвищення cos j₁, якщо здебільшого двигун працює недовантаженим, є зниження напруги, що підводиться до обмотки статора. При зниженні напруги, згідно з законом Ома, пропорційно знижується струм. Враховуючи, що навантаження залишилось незмінним, незмінним (навіть дещо зросте, див. 4.4.3) буде і активний струм, тобто, зниження струму повністю відбувається за рахунок реактивної частини і, як наслідок, коефіцієнт потужності зростає. Для двигунів, обмотка статора яких сполучена за схемою трикутник, можна здійснити перемикання на зірку. Це дозволить знизити фазну напругу та струм в раз. При цьому магнітний потік, що створюється обмоткою статора, а отже і намагнічувальний струм зменшаться приблизно в раз. Крім цього дещо зросте активна складова струму обмотки статора. Все це сприяє підвищенню cos j₁ (рис. 4.24).

Робочі характеристики асинхронних двигунів будуються за даними, які можна отримати при безпосередньому навантаженні двигуна електромагнітним чи механічним гальмом, або генератором. Цей шлях побудови характеристик застосовується для двигунів відносно невеликої потужності до (10 – 15) кВт.

Для більш потужних двигунів суттєво ускладнюється задача навантаження двигуна, зростають непродуктивні витрати електроенергії, тому застосовується непрямий метод, використання якого не обмежується величиною потужності. Цей метод полягає в тому, що за даними двох дослідів – НХ та КЗ, проводять аналітичні розрахунки характеристик. При цьому можуть будуватися, так звані, кругові діаграми, за якими і визначаються робочі характеристики. Слід зазначити що побудова кругових діаграм досить громіздка, а точність розрахунків при цьому суттєво залежить від точності вимірювання відрізків діаграми. Тому найчастіше в сучасній конструкторській та інженерній практиці розрахунки для побудови характеристик проводяться на ЕОМ.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– електромагнітний момент асинхронного двигуна має квадратичну залежність від напруги мережі;

– критичне ковзання асинхронного двигуна не залежить від прикладеної до обмотки статора напруги;

– квадратична залежність електромагнітного моменту асинхронного двигуна від напруги мережі є суттєвим недоліком асинхронного двигуна;

– при зміні напруги, що підводиться до обмотки статора асинхронного двигуна ковзання, а отже і частота обертання ротора, змінюються у незначних межах;

– зміна активного опору в колі ротора асинхронного двигуна можлива тільки у двигунів з фазним ротором шляхом ввімкнення додаткових резисторів через щітки та контактні кільця;

– зміна активного опору в колі ротора асинхронного двигуна не приводить до зміни його максимального моменту;

– збільшенням активного опору в колі ротора асинхронного двигуна можна досягти збільшення його пускового моменту до величини максимального;

– зміною активного опору в колі ротора асинхронного двигуна можна в широких межах змінювати ковзання, а отже і частоту обертання ротора;

Дата добавления: 2015-07-14