Режимы работы, энергетические соотношения и векторные диаграммы асинхронной машины

Двигательный режим (0<s< 1). Схема замещений асинхронной машины отражает все основные процессы, происхбдящие в ней, и представляет собой удобную осно,ву для изучения режимов работы машины. Рассмотрим, имея в виду схему: замещения рис. 24-6, процесс преобразования активной энергии и мощности при двигательном режиме работы асинхронной машины. В этом режиме передача энергии в схеме рис. 24-6 совершается слева направо.

Асинхронный двигатель потребляет из сети активную мощность

Соотношение (24-74) совпадает с (24-24).

Часть механической мощности Р_мх теряется внутри самой машины в виде механических потерь р_нх (на вентиляцию, на трение в подшипниках и на щетках машин с фазным ротором, если эти щетки при работе не поднимаются), магнитных потерь в сердечнике ротора р_жП и добавочных потерь р_д. Последние вызваны в основном

высшими гармониками магнитных полей, которые возникают ввиду наличия высших гармоник н. с. обмоток и зубчатого строения статора и' ротора. Во-первых, высшие гармоники поля индуктируют э. д. с. и токи в обмотках, в связи с чем появляются добавочные электрические потери. Эти потери заметны по величине только в обмотках типа беличьей клетки. Во-вторых, эти гармоники поля обусловливают добавочные магнитные потери на поверхности (поверхностные потери) и в теле зубцов (пульсационные потери) статора и ротора. Вращение зубцов ротора относительно зубцов статора вызывает пульсации магнитного потока в зубцах, и поэтому соответствующая часть потерь называется пульсационны-ми потерями. Магнитные потери в сердечнике ротора при нормальных рабочах режимах обычно очень малы и отдельно не учитываются¹;

Добавочные потери трудно поддаются расчету и экспериментальному определению. Поэтому, согласно ГОСТ 183—66, их принимают равными 0,5% от подводимой мощности при номинальной нагрузке, а при других нагрузках эти потери пересчитывают пропорционально квадрату первичного тока. Отметим, что в обмотках возникают также добавочные потери от вихревых токов в связи с поверхностными эффектами. Однако эти потери в случае необходимости учитывают соответствующим увеличением сопротивлений г_х и г₂ и поэтому в величину р_д не включают.

Полезная механическая мощность на валу, или вторичная мощность,

В соответствии с изложенным на рис. 24-9, а изображена энер* гетическая диаграмма асинхронного двигателя. Сумма потерь двигателя

К. п. д. двигателей мощностью Р_н = 1 -т- 1000 кет при номинальной нагрузке находится соответственно в пределах т]_н =

= 0,72 н- 0,95. Более высокие к. п. д. имеют двигатели большей мощности и с большей скоростью вращения.

В качестве иллюстрации приведем данные о потерях и к. п. д. трехфазного асинхронного двигателя с Р_я = 14 кет, и_{я н} = = 220/380 в, /_1й = 27,2а (фазный), ^ = 50 гц, 2р = 4, s_H = 0^28, я_н = 1460 об/мин, cos ф_н = 0,877. Для этого двигателя в номинальном режиме работы Р₂ = р^ = 14 000 в/п, р_Эл1 = 770 вт, р_кГ = = 318 вт, р_Эл2 — 411 вт, р_их = 205 вт, р_Й = 79 вт, сумма потерь

Рис. 24-9. Энергетические диаграммы асинхронной машины при работе в режиме двигателя (а), генератора (б) и противовключения (в)

р_ъ = 770 + 318 + 411 + 205 + 79 = 1783 вт. Первичная мощность Р_х = 14 000 + 1783 = 15 783 вт. К- п. д., согласно равенству (24-77),

Рассмотрим еще некоторые вопросы, относящиеся к асинхронным двигателям.

Из выражений (24-71), (24-72) и (24-73) вытекают следующие важные соотношения:

Из этих соотношений видно, что электромагнитная мощность Р_Эм подразделяется на составляющие р_эл2 и Р_мх пропорционально s и (1 — s) и при заданной величине Р_ви потери р_8л2 пропорциональны скольжению s. Поэтому для уменьшения р_Эя2 и получения хорошего к. п. д. необходимо, чтобы s было мало. В нормальных асинхронных двигателях при номинальной нагрузке s_H = 0,02 -*■ 0,05.

Очевидно, что требование малости s_H сопряжено с требованием, малости г_2:)..

Отметим, что электрическая мощность

развиваемая во вторичной цепи асинхронного двигателя, называется; также мощностью скольжения.

На основе схемы замещения рис. 24-6 можно рассмотреть также баланс реактивных мощностей асинхронного двигателя. Из первичной цепи потребляется реактивная мощность

Диаграмма реактивных мощностей двигателя изображена на рис, 24-10, Основную часть реактивной мощности составляет мощность Q_M, которая из-за наличия воздушного зазора и большого, намагничявающ'его тока /«значительно больше, чем в трансформаторах. Большие величины Q_M и /_н существенно влияют на коэффициент мощности двигателя и снижают его.величину. Обычно у асинхронных двигателей cos ф„ = 0,70 -*- 0,95. Большие значе-* ния относятся к мощным двигателям с 2р — 2 и 4. При уменьшении' нагрузки cos ф двигателя значительно уменьшается, до значения cgs <р_о«0,10 -т- 0,15 при холостом ходе.

Векторная диаграмма асинхронного двигателя строится на основе схемы замещения рис. 24-6 и имеет вид, изображенный на рис. 24-11, а. Она аналогична векторной диаграмме трансформатора и отличается от нее относительно большей величиной намагничивающего тока /_м и тем, что электрическая нагрузка вторичной цепи, соответствующая механической мощности Р_яЖ, является чисто активной. Ввиду малости скольжения сопротивление r'Js¹ значительно больше х^, и угол ita поэтому мал.

Генераторный режим (— оо < s < 0). Для осуществления генераторного режима работы асинхронной машины ее нужно включить в сеть переменного тока и вращать с помощью соответствующего приводного двигателя (машина постоянного тока, тепловой или гидравлический двигатель) в сторону вращения магнитного поля со скоростью п, превышающей синхронную скорость п_х. Скольжение машины при этом, согласно выражению (19-6), отрицательно.

Рис. 24-11. Векторные диаграммы асинхронной машины при работе в режимах двигателя (в), генератора (б) и противовключения (в)

Теоретически скорость п в генераторном режиме может изменяться в пределах п_х <п < оо, чему [см. выражение 119-6)] соответствует изменение скольжения в пределах 0 > s > — оо. В действительности высокие скорости вращения недопустимы по условиям механической прочности, а по условиям ограничения потерь и нагревания и сохранения высокого к. п. д. в генераторном режиме возможны абсолютные значения скольжения такого же порядка, как и в двигательном режиме.

Рассмотрим на основании соотношения (24-17) активные и реактивные относительно э. д. с. £₂ составляющие токи 1_%. Для этого положим в выражении (24-17) й"₂ = Е_г и умножим числитель и знаменатель на сопряженный комплекс знаменателя. Тогда получим

В двигательном режиме s > 0 и обе составляющие 1_га, /_2/. тока /₂ положительны. Множитель — / перед /_2г означает поворот вектора /_2Г относительно /_2О на комплексной плоскости в сторону вращения часовой стрелки на 90°. Это означает, что /_2Г отстает от /_2а на 90°, т. е. /_2г является индуктивным током.

В генераторном режиме s < 0 и, согласно выражению (24-85),-по-прежнему /_2г>0, а величина 1_Ы меняет знак, т. е. становится отрицательной и меняет свою фазу на 180°. Физически это объясняется тем, что поле вращается относительно ротора по сравнению с двигательным режимом в обратную сторону, вследствие чего изменяются знаки э. д. с. £_2S и активной составляющей тока /₂. В результате изменяется также знак вращающего момента, т. е. последний действует против направления вращения и становится' тормозящим.

На основании изложенного на рис. 24-11, б построена векторная диаграмма асинхронного генератора. Вектор первичного тока,

вследствие поворота /^ почти на 180° также поворачивается в сторону вращения часовой стрелки. При этом ц>_х > 90° и

т. е. активные составляющие первичного тока и первичной мощности изменяют знак. Это означает, что машина уже не потребляет,, как в режиме двигателя, а отдает в сеть активную мощность и ак-< тивный ток, т. е. работает в режиме генератора и преобразует потребляемую с вала механическую энергию в электрическую.

Направление вектора падения напряжения — -у- /, на диаграмме рис. 24-11, б совпадает с направлением 1'_%, так как значение s от-

рицательно и поэтому величина------ положительна.

Из векторных диаграмм рис. 24-11, а и б следует также, что реактивные составляющие первичного тока

и первичной мощности

Ql== ftljUiIi Sin ф!

при переходе машины из двигательного режима в генераторный сохраняют свои знаки. Это означает, что асинхронный генератор также потребляет из сети реактивную мощность и индуктивный ток. Поэтому асинхронный генератор может работать только на сеть» к которой приключены такие электрические машины и устройства (например, синхронные генераторы или компенсаторы, конденсаторы), которые могут являться источниками реактивной мощности,

потребляемой асинхронным ренератором для создания в нем магнитного поля или магнитного потока (см. также § 29-2). Потребление асинхронными генераторами реактивной мощности является весьма существенным недостатком, вследствие чего эти генераторы применяются только в очень редких случаях.

Равенства (24-67)—(24-74), (24-78) и (24-79) справедливы также для генераторного режима, если иметь в виду, что в этом режиме s < 0. Изменение знаков мощностей означает изменение направления передачи или превращения энергии.

В генераторном режиме работы сопротивления — и —— г'^

a S

в схемах замещения рис. 24-6 изменяют знак, т. е. становятся отрицательными, что связано также с изменением знаков соответствующих мощностей. Хотя электрические проводники могут иметь только сопротивления г > 0, тем не менее, введение понятия об отрицательных активных сопротивлениях полезно. Если положительные сопротивления г являются потребителями электрической энергии Рг, то отрицательные г необходимо рассматривать как источники, или генераторы, электрической энергии Рг. В частности, генератор постоянного тока в целом можно рассматривать как отрицательное сопротивление

Для ненасыщенного генератора последовательного возбуждения U ~ I, и для него поэтому г = const. Для других генераторов г =f= const. Отрицательные при s < 0 активные сопротивления в схемах рис. 24-6 тоже следует рассматривать как источники электрической энергии, соответствующей потребляемой с вала механической энергии. Поток активной энергии на схемах рис. 24-6 в этом случае идет справа налево.

В соответствии с изложенным на рис. 24-9, б изображена энергетическая диаграмма асинхронного генератора.

Преобразование реактивной мощности в асинхронном генераторе происходит так же, как и в двигателе (рис. 24-10).

Режим противовключения (1 < s < оо). В этом режиме ротор приключенный к сети асинхронной машины вращается за счет подводимой извне к ротору механической энергии против вращения поля, вследствие чего скорость вращения ротора п<0и, согласно выражению (19-6), s> 1. На практике в этом режиме обычно 1 <s<2.

Поскольку как в двигательном, так и в режиме противовключения s > 0, то в соответствии'С выражением (24-85) активные и реактивные составляющие вторичного тока имеют в" режиме противовключения такие же знаки, как и в двигательном. Это означает, что и в режиме противовключения машина потребляет из сети активную мощность и развивает положительный вращающий момент,

действующий в сторону вращения поля. Но, поскольку ротор вращается в обратном направлении, на него этот момент действует тормозящим образом.

В режиме лротивовключения машина потребляет также механическую мощность с вала или с ротора, поскольку внешний вращающий момент действует в сторону вращения ротора. Как мощ-н<!>сть, потребляемая из сети, так и мощность, потребляемая с вала, расходуются на потери в машине. Полезной мощности машина поэтому не развивает, а в отношении нагрева рассматриваемый режим является тяжелым.

Соотношения (24-67)—(24-76) и (24-78),- (24-79) действительны также и для режима противовключения. При s> 1, согласно выражению (24-71), Р»д>0, а согласно выражению (24-78), р_Эл2 > >^ft,_M. Поэтому получаемая за счет энергии сети и передаваемая на ротор электромагнитная мощность покрывает только часть-потерь во вторичной обмотке. В соответствии с соотношением (24-74) механическая мощность Р_т < 0, т. е. эта мощность потребляется с вала. Она покрывает остальную часть потерь во вторичной обмоткв| так как км. равенство (24-73)j

РвЯ% ⁼⁼ *вМ ~~ "|Н1

и в данном случае Р_вм > 0 и — Р_ях > 0.

По сравнению с двигательным и генераторным режимами pa«i боты в режиме противовключения сопротивление г_%/$ мало. Поэтому^; на основании равенства (24-1в) можно заключить, что ток /_а и угол; "Ф? == Z (£$»!%) велики. Соответственно этому первичный ток J_t и угол сдвига фаз <р_х = L (U%> h) тоже велики. Это также указываем на опасность режима в тепловом отношении. Поэтому при U_x — U_ln рассматриваемый режим допускается лишь кратковременно.,

На основании изложенного и в соответствии со схемами рис. 24-6; на ряе. 24-9, в, изображена энергетическая диаграмма, а на; рис. 24-11,^ —векторная диаграмма асинхронной машины в pej жиме противовключения. Преобразование реактивной мощносг^ э режиме противовключения происходит так же, как и в двигательном (рис. 24-1(3).

режим противовключения на практике исдользуетфя для тормо«, зрвия и остановки асинхронных двигателей и Приводимых нм«, & движение производстееннда механизмов. Например, в ряде слу-ч|ев, при необходимости быетро|г остановки двигателя, путей переключения двух питающих нроводт $рехфззвого щт$шт изменяют чередование фаз и ная^вденне вращения щмя, a potop Вч течение некоторого времени вращй€тея прр этой щ п&щщт в прежаем направлении, т. е. теперь.? уще против нбця. МезШяиче^ екая меадяоеть Р_мх [см. равенство ^#74)J в данном щучт щзт- ^etca за счет кинетической энергии вращающихся ще£ ШМШшт

уменьшения скорости вращения. При п да 0 машину необходимо отключить от сети, так как иначе она придет во вращение в обратном направлении. Таким же образом может осуществляться быстрый реверс (изменение направления вращения) двигателя, причем в этом случае, естественно, при п да О отключать двигатель от сети не нужно. В начале процесса реверсирования также существует режим противовключения.

Режим противовключения называют также режимом электромагнитного тормоза. Следует, однако, иметь в виду, что существуют и другие способы электромагнитного торможения асинхронной машины.

Режим короткого замыкания. Режимом короткого замыкания асинхронной машины называется ее режим при s = 1, т. е. при неподвижном роторе. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния. Сопротивление асинхронной машины относительно ее первичных зажимов при s — 1 называется сопротивлением короткого замыкания Z_K. Согласно схемам замещения рис. 24-6,

(24-86)

Дата добавления: 2015-07-18