Что такое линейная нагрузка асинхронного двигателя

Механические и электрические характеристики асинхронных электродвигателей

В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных.

Механические характеристики электродвигателя представляют собой зависимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателя.

Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении сопротивления, изменении питающего напряжения, частоты и др.

Механические характеристики электродвигателей: 1 — абсолютно жесткая характеристика, 2 — жесткая характеристика, 3 — мягкая механическая характеристика

Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

Для примера рассмотрим АИР80В2У3.

Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя

На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.

Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.

Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.

Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.

Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.

Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.

Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.

Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:

Q = √( 3046 2 — 2650 2 ) = 1502 ВАР

Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.

Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.

Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя

Скорость вращательного движения на практике часто оценивается частотой вращения, то есть числом оборотов вала двигателя в минуту. Угловая скорость выражается в радианах в секунду (рад/с). Угловой скоростью удобнее пользоваться при выводе формул и проведении расчетов, частотой вращения — при практической оценке скоростных свойств двигателей.

На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.

Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду.

Но поскольку двигатель асинхронный, то п оявление в обмотке ротора ЭДС и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями магнитного поля и ротора. Это различие называют скольжением (s). Ротор вращается с отставанием на величину скольжения .

Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:

s = ( ( n – n1 )/ n) *100%

Для нашего примера s = ( (3000 – 2870)/3000 ) *100% = 4,3%.

Угловая скорость асинхронного двигателя

Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.

Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.

Линейная скорость асинхронного электродвигателя

Читайте также:  Основные неисправности и техническое обслуживание дизельного двигателя

Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:

Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя

Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:

Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:

Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.

Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м.

Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.

Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.

Источник

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const.

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n2 = n1(1 — s).

Скольжение s = Pэ2/Pэм, т. е. скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n20 ≈ n1.

По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = Pэ2/Pэм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рис. 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

Зависимость М2 =f(P2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/ (2πn2) = 9,55Р2/ n2,

где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf 2/ 60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n2 = const, то график М2 =f2(Р2) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М2 =f (P2) имеет криволинейный вид.

Зависимость cos φ1 = f (P2). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода. Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I0 при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I1 ≈ I0). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ1 ≈ φ0), лишь немногим меньше 90° (рис. 2).

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ1, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U1 уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя.

На рис. 3 представлены графики зависимости cos φ1, асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).

Читайте также:  Как называется двигатель генератора

Рис. 3. Зависимость cos φ1,от нагрузки при соединении обмотки статора двигателя звездой (1) и треугольником (2)

Источник

Линейные асинхронные двигатели

Линейные асинхронные двигатели отличаются от обычных двигателей тем, что имеют разомкнутый магнитопровод и обес­печивают поступательное движение рабочего механизма.

Устройство линейного асинхронного двигателя показано на рис. 3.41.

Рис. 3.41. Устройство линейного асинхронного двигателя

Магнитопровод статора / линейного двигателя имеет фор­му параллелепипеда, в пазах которого размещается разно-именнополюсная трехфазная первичная обмотка 2 размещается в линейном двигателе в пазах на одной из граней парал­лелепипеда. Подвижная часть в линейном двигателе называет­ся бегуном и перемещается поступательно. В пазах магнито-провода бегуна на стороне, обращенной к статору, размещается короткозамкнутая обмотка 3. Подвижная часть в линейном двигателе может быть выполнена массивной из магнитного материала, причем в этом случае отпадает необходимость в короткозамкнутой обмотке.

Конструкции линейных двигателей могут быть весьма раз­нообразными. Для избежания магнитных тяжений ротор ли­нейного двигателя может располагаться между двумя стато­рами. В обращенной конструкции двигателя ротор (бегун) неподвижен, а статор с трехфазной обмоткой перемещается вдоль бегуна, как это показано на рис. 3.41.

Рабочие свойства линейного двигателя в зависимости от исполнения подвижной части аналогичны свойствам двигателя с короткозамкнутым либо с массивным ротором. Однако КПД и коэффициент мощности линейных двигателей хуже, чем у обычных асинхронных двигателей. Объясняется это тем, что в этих двигателях возникают краевые эффекты. Их суть за­ключается в следующем. Если в обычной машине в воздушном зазоре образуются бегущие волны, которые укладываются по окружности статора целое число раз, то в линейной бегущая волна, отражаясь от краев магнитопроводов, порождает спектр волн магнитного поля, отраженных от обоих краев. Это при­водит к снижению энергетических показателей машины и ог­раничивает сферу применения линейных двигателей.

Скольжение линейных двигателей определяется как отно­шение линейной скорости скольжения v1-v к синхронной линейной скорости бегущего поля v1 = 2τf1:

В номинальном режиме линейная скорость перемещения подвижной части v близка к синхронной, поэтому скольжение также мало, как в обычных асинхронных машинах.

Линейные асинхронные машины используют для получения возвратно-поступательного движения за счет периодического изменения чередования фаз обмотки статора, например, в металлообрабатывающих станках, в технологических линиях для отбраковки или сортировки деталей. Наибольший интерес представляет использование линейных двигателей в электри­ческой тяге, в особенности для высокоскоростного транспорта. Магнитопровод статора вместе с многофазной обмоткой укрепляют на экипаже и посредством скользящего контакта при­соединяют к сети переменного тока. Поле статора, взаимодей­ствует с массивным ферромагнитным телом — монорельсом и стремится увлечь его за собой. Поскольку монорельс непод­вижно закреплен, то приходит в движение со скоростью v статор вместе с локомотивом.

Важным направлением использования линейных двигате­лей является использование их для ускорения и замедления больших масс движущихся тел в спецтехнике.

Асинхронный генератор

Асинхронный генератор — это асинхронная машина, ра­ботающая в режиме генератора с возбуждением от сети или с самовозбуждением. В первом случае говорят о параллель­ной работе машины с сетью, во втором случае — об автоном­ном режиме и соответственно, об автономном асинхронном генераторе. Выше было показано, что если ротор асинхрон­ной машины вращать с частотой, превышающей синхронную частоту вращения, то скольжение машины становится отрица­тельным, машина переходит в режим генератора. При этом она преобразует механическую мощность, получаемую со стороны вала в активную, которую отдает в сеть, а из сети, как и в двигательном режиме, получает реактивную мощность, необхо­димую для намагничивания машины.

В настоящее время асинхронные генераторы все более широко применяются в качестве генерирующих устройств в так называемых альтернативных источниках электроэнергии: ветроэлектрических станциях и микроГЭС. Кроме того, асин­хронные генераторы в силу своей высокой надежности могут применяться как бортовые источники переменного тока в мо­бильных объектах, прежде всего в летательных аппаратах. К генератору могут быть присоединены как потребители трех­фазного тока, так и потребители постоянного тока, питаемые обычно через трехфазный мостовой выпрямитель. Асинхрон­ные генераторы имеют хорошие пусковые характеристики при работе в двигательном режиме и могут использоваться в каче­стве стартера для запуска авиадвигателя с переходом затем в генераторный режим. Асинхронные генераторы с самовоз­буждением могут быть использованы в регулируемом электро­приводе переменного тока.

В системах автоматического управления, например, в следя­щем электроприводе, в вычислительных устройствах применяются асинхронные тахогенераторы с полым или с короткозамкнутым ротором для преобразования угловой скорости в электрический сигнал.

Асинхронные генераторы отличаются высокой надежностью и простотой обслуживания в эксплуатации, они легко включа­ются на параллельную работу даже при сравнительно боль­ших рассогласованиях угловых скоростей. Форма кривой на­пряжения асинхронного генератора ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов при работе на одну и ту же нагрузку. Однако, несмотря на отмеченные достоинства асин­хронного генератора, применение их ограничивается тем, что они являются генераторами только активной мощности и по­требителями реактивной. Следовательно, асинхронные генера­торы способны работать лишь в системе, где имеется источник реактивной мощности.

Питание асинхронного генератора реактивной мощностью возможно со стороны статора или со стороны ротора. В по­следнем случае вследствие малой частоты скольжения необ­ходимая емкость возрастает в k 2 раз, где k — коэффициент трансформации машины.

Читайте также:  Что входит в ремкомплект двигателя g16a

Асинхронные генераторы могут выполняться с самовоз­буждением или с независимым возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением или с конденсаторным возбуждением характеризуются тем, что реактивная мощность генерируется конденсаторами, включенными параллельно об­мотке статора и соединенными в «треугольник» или «звезду». С целью улучшения эксплуатационных свойств асинхронного генератора дополнительно устанавливаются конденсаторы, включенные последовательно с нагрузкой.

У асинхронного генератора с независимым возбуждением реактивная мощность компенсируется за счет синхронных ма­шин, включенных в общую сеть. В некоторых случаях исполь­зуют тиристорные источники реактивной мощности, которые преобразуют постоянное напряжение источника (например аккумулятора) в трехфазное переменное напряжение с опере­жающим током.

Асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением можно наиболее эффективно применять в системах с импульс­ным характером нагрузки, когда конденсаторы выполняют роль не только источников намагничивающей мощности, но и накопи­телей электрической энергии. В этом случае устраняется не­обходимость в синхронном компенсаторе или специальной батарее конденсаторов.

Асинхронные генераторы независимого возбуждения, ра­ботающие на автономную сеть, применяются преимуществен­но в установках специального назначения. При этом источни­ком реактивной мощности является либо синхронная машина, работающая в режиме синхронного компенсатора; либо ба­тарея конденсаторов. В обоих случаях источники реактивной мощности (синхронный компенсатор или конденсатор) долж­ны снабжать реактивной мощностью сеть и асинхронный гене­ратор.

Полная мощность асинхронного генератора SГ выражает­ся через активную мощность РГ и коэффициент мощности генератора :

.(3.56)

Потребляемая реактивная мощность генератора:

.

Реактивная мощность, поступающая в нагрузку:

где φН — угол сдвига фаз между напряжением и потоком в нагрузке.

Тогда реактивная мощность конденсаторов (синхронных компенсаторов) определяется как сумма реактивных мощностей генератора и нагрузки (сети):

. (3.57)

Если мощность генератора равна номинальной: РГ = РННОМ, то мощность конденсатора (компенсирующего устройства) равна

.(3.58)

Емкость конденсаторов, применяемых как источник реак­тивной мощности генератора и сети, определяется с учетом из выражения

откуда можно определить емкость конденсатора:

; (3.59)

Из выражения (3.59) следует, что при изменении нагрузки необходимо обеспечить регулирование емкости, применяя, например, конденсаторы переменной емкости (вариконды) или иным методом.

Масса и размеры конденсаторной батареи даже при ис­пользовании современных конденсаторов могут превосходить массу асинхронного генератора.

Схема замещения асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагруз­кой ZH изображена на рис. 3.42,а. Она отличается от схемы замещения двигателя тем, что в первичную цепь машины включено емкостное сопро­тивление конденсаторной батареи ХС, и, кроме того, заменено направление потока энергии из машины в сеть.

Рис. 3.42. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) асинхронного генератора

Векторная диаграмма асинхронного генератора изобра­жена на рис. 3.42,б. Она имеет обычный вид и не зависит от того, откуда генератор потребляет необходимую реактивную мощность.

Стабилизация напряжения асинхронного генератора явля­ется одной из наиболее важных проблем, связанных с его использованием в автономных системах. Напряжение генера­тора при увеличении нагрузки снижается вследствие внутрен­него падения напряжения и снижения ЭДС статора в резуль­тате уменьшения частоты сети при неизменном значении час­тоты вращения ротора.

Частота сети при увеличении нагрузки снижается в связи с увеличением скольжения, поскольку f1 =f2/(1 -SHM), где f2= рп2 = const; п2 — частота вращения ротора.

Выходное напряжение генератора можно стабилизиро­вать за счет изменения частоты вращения ротора или основ­ного магнитного потока машины Ф, поскольку ЭДС статора пропорциональна частоте и потоку. Регулировать напряжение

путем изменения частоты вращения ротора технически слож­но, кроме того диапазон изменения частоты вращения ротора должен быть значительным. Поэтому этот способ практически не используется. Чаще всего напряжение регулируется изме­нением основного магнитного потока.

Регулирование основного магнитного потока при неизмен­ной скорости ротора может быть достигнуто рядом способов:

1) подмагничиванием спинки статора генератора, измене­нием напряжения на конденсаторах;

2) изменением емкости шунтирующих конденсаторов;

3) применением феррорезонансного стабилизатора напря­жения, управляемых реакторов или конденсаторов-варикондов.

Наиболее эффективна стабилизация напряжения шунтиру­ющими конденсаторами. Остальные способы регулирования напряжения связаны с усложнением конструкции генератора, или с большими массогабаритными дополнительными устрой­ствами. Регулирование напряжения асинхронного генератора в настоящее время остается важной и еще не полностью решенной задачей.

Самовозбуждение АГ возможно при обеспечении условий: 1. Наличия остаточного намагничивания в ферромагнит­ной части магнитной цепи, которое при вращении ротора АГ наводит в обмотке статора ЭДС остаточного поля. Обычно при шихтованном роторе Еост = (0,02. 0,03)Uном. Под влиянием Еост в цепи параллельной емкости возникает опережающий ток, который и подмагничивает машину. Начальный поток может быть создан и внешним электромагнитным полем. Процесс самовозбуждения изображен ломаной линией на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Условия и процесс самовозбуждения асинхронного генератора в режиме холостого хода

Остаточная ЭДС Еост вызывает в конденсаторе намагни­чивающий ток, который наводит ЭДС Е в обмотке статора,

которая вызывает ток IС в конденсаторе и т. д.

2. Частота вращения ротора должна быть выше критиче­ской, т. е. такой, при которой начальная ЭДС Еост будет иметь необходимое значение.

3. Характеристика внешней цепи UC = IC ХС должна пере­секать кривую намагничивания в точке номинального напря­жения (рис. 3.43), иными словами, емкость должна быть боль­ше критической.

Самовозбуждение генератора возможно как в режиме холостого хода, так и под нагрузкой.

Источник

Adblock
detector