Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА 3
ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
3.1 АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
3.1.1 Принцип действия асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель - это электрическая машина, которая использует взаимодействие вращающегося магнитного поля с токами наведенными этим же полем в обмотках ротора.
Принцип действия иллюстрирует рисунок 3.1.
Рис 3.1
Вращающееся магнитное поле материализовано в виде подковообразного магнита, вращающегося с угловой скоростью s, называемой синхронной скоростью. Это поле индуцирует вихревые токи в металлическом диске, подвижном вокруг своей оси. Под действием вращающегося магнитного поля на индуцированные токи, диск вращается в том же направлении, что и поле, однако его скорость вращения меньше, чем синхронная ( < s ).
3.1.2 Вращающееся магнитное поле
В асинхронном двигателе вращающееся магнитное создается трехфазными токами циркулирующими по обмоткам статора. Рассмотрим создание этого поля подробно.
Имеются три неподвижные обмотки AX, BY, CZ, сдвинутые друг относительно друга на 120 в пространстве и обтекаемые трехфазными токами (Рис.3.2 и 3.3):
iA = Im sint
iB = Im sin(t - 2/3)
iC = Im sin(t + 2/3)
Рис.3.2 Рис.3.3.
Рассмотрим эту конструкцию для трех моментов времени t1 ,t2 ,t3
(Рис.3.4, 3.5, 3.6).
Момент времени t1: iA = + Im, iB= - Im /2 , iC = - Im /2.
На плоскости получим рисунок 3.4. Здесь суммарная индукция магнитного поля будет
или в абсолютных величинах
.
Момент времени t2: iA = - Im/2, iB = + Im, iC = - Im /2.
На плоскости получим рисунок 3.5. Здесь суммарная индукция магнитного поля будет
или в абсолютных величинах
Момент времени t3: iA = - Im/2, iB = - Im/2, iC = + Im.
На плоскости получим рисунок 3.4. Здесь суммарная индукция магнитного поля будет
или в абсолютных величинах
Рис.3.4 Рис.3.5
Рис.3.6
На основании рассмотрения этих трех частных случаев можно сделать заключение, что три неподвижные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120 и обтекаемые токами, сдвинутыми на 120 во времени создают вращающееся магнитное поле, чья индукция постоянна. Такое поле является двухполюсным. Если конструкция содержит 2р полюсов, то синхронная угловая скорость будет
и соответствующая ей частота вращения
[об/мин]
где: - пульсация;
f - частота сети.
Таким образом, в трехфазной обмотке, состоящей из р катушек на фазу создается магнитное поле вращающееся с частотой
[об/мин].
Таблица 3.1. представляет частоту вращения в функции числа полюсов, при частоте сети f = 50 Hz.
Таблица 3.1
|
Число пар полюсов p |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Синхронная частота вращения n [ об/мин ] |
3000 |
1500 |
1000 |
750 |
600 |
500 |
3.1.3 Логическая диаграмма функционирования
Можно объяснить принцип действия асинхронного двигателя с помощью логической диаграммы (Рис.3.7).
Рис.3.7
Последовательность действий, согласно логической диаграмме, такова:
1) под действием трёхфазного напряжения в каждой фазе обмотки протекает ток ;
2) этот ток создает магнитный поток вращающийся с частотой ns;
3) согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) магнитный поток наводит две э.д.с. статора и ротора ;
4) э.д.с. и напряжение определяют ток ;
5) под действием э.д.с. возникает ток , который в свою очередь создает свой магнитный поток;
6) окончательно алгебраическая сумма намагничивающих сил создает рабочий магнитный поток Фp асинхронного двигателя;
7) ток , взаимодействуя с магнитным потоком Фp производят электромагнитные силы (ЭМС) и вращающий момент МД.
3.1.4 Скольжение
Ротор асинхронного двигателя вращается с частотой n меньшей чем синхронная частота вращения ns, поэтому для оценки разности частот используется относительная величина, называемая скольжение:
Это очень важная характеристика асинхронной машины.
Если преобразовать это выражение относительно n
n = ns (1 - s ) ,
то станет ясно, что эта формула прямой линии (Рис.3.8):
Рис.3.8
На этой линии имеется две характерные точки:
1) n = ns, s = 0 - функционирование без нагрузки
(физически данная точка не существует);
2) n = 0 , s = 1 - пуск двигателя.
Эти точки делят линию на три интервала:
1) s < 0 - функционирование в качестве генератора;
2) 0 < s < 1 - функционирование в качестве двигателя;
3) s > 1 - функционирование в качестве электромагнитного тормоза.
3.1.5 Элементы конструкции асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель конструктивно состоит из статора - неподвижная часть и ротор - вращающаяся часть.
Статор. Сердечник статора представляет из себя цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали с пазами на внутренней стороне. В эти пазы уложены трехфазные обмотки, соединенные с сетью (Рис.3.9).
Рис.3.9
Существует два типа ротора:
Беличья клетка (короткозамкнутый ротор). На рисунках 3.10 и 3.11 представлены сердечник ротора и короткозамкнутая обмотка.
Рис.3.10 Рис.3.11
На практике обмотка ротора отливается из алюминия в отверстия в пластинах сердечника, одновременно с этим отливаются элементы охлаждения двигателя (крылья).
Фазный ротор. Если вместо отверстий в пластинах сердечника сделать пазы, то в них может быть уложена трехфазная обмотка ротора, которая с помощью щеток и колец соединяется с внешней цепью. Как правило, это соединение "звезда" вместе с трехфазным реостатом.
3.1.6 Электродвижущие силы ротора и статора
Если вращающееся магнитное поле создает синусоидальный магнитный поток Фmp, то (аналогично трансформатору) имеем выражения для э.д.с. статора
E1 = 4,44 f1 N1 K1 Фmp,
и ротора
E2s = 4,44 f2 N2 K2 Фmp
где: K1 ,K2 - обмоточные коэффициенты;
N1 ,N2 - число витков обмоток;
f1 - частота сети;
f2 - частота роторных токов, зависящая от скольжения и частоты сети
f2 = sf1.
В момент пуска двигателя, когда n = 0 и s = 1 э.д.с. ротора будет
E2 = 4,44 f2 N2 K2 Фmp
или
E2s = s E2.
То есть э.д.с. ротора зависит от скольжения.
Исходя из ранее сказанного можно записать выражения для реактивных сопротивлений статора и ротора:
X1 = 2 f1 L1 e X2s = 2 f2 L2.
Зная, что f2 = s f1
имеем X2s = s 2 f1 L2
и тогда для пуска двигателя получим
X2 = 2 f1 L2.
Итак. реактивное сопротивление ротора также зависит от скольжения
X2s = s X2.
3.1.7 Основные уравнения асинхронного двигателя
Аналогично трансформатору можно представить эквивалентные схемы ротора и статора (Рис.3.12 и 3.13):
Рис.3.12 Рис.3.13
Согласно II закону Кирхгофа запишем уравнения соответствующие данным схемам:
где: U1 - напряжение сети;
X1, R1 - реактивное и активное сопротивления статора;
X2s, R2 - реактивное и активное сопротивления ротора;
E1 ,E2s - э.д.с. статора и ротора.
Для пуска двигателя (s = 1) имеем:
Когда ротор вращается (0 < s < 1), первое уравнение остается неизменным, а второе трансформируется в:
откуда .
Подставляя в уравнение следующее выражение
,
получим ,
где: - эквивалентная нагрузка двигателя.
3.1.8 Вращающий момент
Активная электрическая мощность трехфазного асинхронного двигателя известна
,.
где два первых члена уравнения соответствуют электрическим потерям в статоре и роторе, а третий определяет электрическую мощность, которая преобразуется в механическую.
Согласно классической формуле механики имеем
Pмех = M = Ms (1 - s),
где: M - механический момент [Н м];
- угловая скорость [рад/сек].
Приравнивая электрическую и механическую мощности, получим
= M s (1 - s),
откуда формула момента будет
.
Считая, что аналогично трансформатору, выделим из основных уравнений асинхронного двигателя ток ротора I2 , исключая при этом э.д.с. E2 :
Пренебрегая падениями напряжения I1R1 и I1X1 по сравнению с U1, получим:
.
И тогда окончательно в действующих значениях будем иметь:
В результате выражение для вращающего момента будет иметь вид:
3.1.9 Механическая характеристика
Зависимость М = f(s) имеет кубический характер (Рис.3.14).
Рис.3.14
Эта кривая имеет четыре характерных точки:
1)s = 0, M = 0 холостой ход;
2) s = sкр, M = Mмакс;
3) s = sкр, M = Mн;
4) s = 1, M = Mп.
В интервале 0 < s < 1 электрическая машина работает в режиме двигателя и вращающий момент достигает максимума при s = sкр = R2 /X2.
Для скольжения больше чем критическое sкр работа двигателя носит неустойчивый характер, поэтому на участке sкр s 1 происходит пуск двигателя.
Зная sкр и Ммакс можно записать эмпирическую формулу Клосса для вращающего момента:
.
На практике номинальный момент двигателя достигает половины максимального момента, при этом скольжение составляет около 5%.
Характеристика момент-частота вращения М = f(n) называется двигателя. Зная, что n = ns ( 1 - s ), представим эту кривую на рисунке 3.15.
Рис.3.15
3.1.10 Потери мощности и КПД двигателя
Уравнение баланса мощностей для АД представлено следующим выражением:
P1 = P2 + Pмг + Pэл + Pмех,
где: P1 - потребляемая, электрическая мощность;
P2 - полезная, механическая мощность;
Pмех - механические потери на трение в подшипниках, независящие от нагрузки;
Pмг = Pмгс + P мгр- магнитные потери в статоре и роторе, независящие от нагрузки;
Pэл = Pэлс + Pэлр - электрические потери в статоре и роторе.
Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется с помощью энергии электромагнитного поля (мощность электромагнитного поля Рэлм). Можно представить баланс мощностей в виде диаграммы (Рис.3.16) и тогда КПД двигателя будет
.
Электрические потери зависят от нагрузки, а значит и КПД тоже является функцией нагрузки. Для большинства асинхронных двигателей КПД достаточно высок и находится в интервале от 80% до 90%.
Рис.3.16
3.1.11 Рабочие характеристики
Рабочие характеристики двигателя, представленные на рисунке 3.17, помогают анализировать процесс работы. Здесь представлено шесть основных характеристик АД в функции полезной мощности на валу двигателя P2 /P2N:
= f ( P2/P2Н ); cos = f ( P2/P2Н ); n = f ( P2/P2Н );
C = f ( P2/P2Н ); I = f ( P2/P2Н ), s = f ( P2/P2Н ).
Рис.3.17
3.2 СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
3.2.1 Основные понятия
O motor sнncrono й semelhante ao motor assнncrono, diferindo deste em rotor. O estator й alimentado com corrente alternada, e o rotor com corrente contнnua de excitaзгo ( Fig.3.18 ).
Fig.3.18
O motor sнncrono funciona com uma velocidade constante, chamada de velocidade sнncrona, dada por
sendo: f - a frequкncia;
2p - o nъmero de pуlos.
O estator de um motor sнncrono trifбsico й semelhante ao de um motor de induзгo trifбsico, sendo a sua funзгo estabelecer um campo magnйtico girante com velocidade ns.
O motor sнncrono nгo tem partida prуpria, e deve ser arrastado atй a velocidade sнncrona por um meio auxiliar, geralmente um motor de induзгo.
3.2.2 Принцип действия
O princнpio de funcionamento do motor sнncrono baseia-se sobre a atraзгo de dois pуlos diferentes dos campos magnйticos de estator ( N,S ) e de rotor ( No ,So ).
Entгo, campo magnйtico de estator gira com velocidade sнncrona ns ( Fig.3.19 ).
Suponhamos que o rotor tambйm gira com velocidade sнncrona ns, no sentido anti-horбrio, dбi, os pуlos de campo magnйtico de rotor girarгo com velocidade ns.
Sem carga, os eixos de campos magnйticos sгo coincidentes; as forзas de atraзгo F1 e F2 serгo radiais e nгo se criam nenhum conjugado motor.
Se existe um conjugado resistente Cr ( conjugado de carga, Fig.3.20 ) no eixo de motor, o eixo de campo magnйtico rotуrico vai deslocar-se no sentido horбrio em вngulo .
Fig.3.19 Fig.3.20.
Neste caso, as forзas F1 e F2 tкm as componentes radiais e tangenciais. As componentes tangenciais Ft1 e Ft2 criam o conjugado-motor CM e o motor funciona em condiзгo estбvel,
Cr = CM.
Podemos explicar o princнpio de funcionamento com auxнlio de diagrama lуgico na figura 3.21.
Fig.3.21
1) sob tensгo trifбsica , em cada fase do enrolamento de estator, passa a corrente que cria um fluxo magnйtico girante 1 com velocidade ns.
2) no enrolamento de rotor, sob tensгo de excitaзгo Vex, passa a corrente Iex que cria seu prуprio fluxo ex girando com velocidade ns.
3) estes fluxos induzem as forзas eletromotrizes e que somam-se respectivamente como:
.
4) no mesmo tempo fluxos 1 e ex somam-se tambйm e formam o fluxo principal p.
5) entrando em interaзгo a corrente e o fluxo principal p produzem o conjugado motor CM, oposto ao conjugado resistente Cr.
3.2.3 Основные уравнения двигателя
Equaзгo do estator podemos determinar usando o diagrama vetorial e esquema equivalente.
Conforme II Lei de Kirchoff ( Fig.3.22 ), temos:
Sabendo que e menosprezando a resistкncia ativa de estator Rs, obtйm-se:
.
Fig.3.22 Fig.3.23 Fig.3.24
Neste caso, o esquema equivalente serб representado pela figura 3.23. A reatвncia Xs chama-se "resistкncia sнncrona".
O diagrama vetorial ( Fig.3.24 ) mostra que o вngulo й deslocamento entre o eixo de campo magnйtico do rotor e eixo de campo magnйtico de estator. O вngulo serб a defasagem entre a tensгo da rede e corrente estatуrica .
Equaзгo do conjugado motor vamos determinar, conforme a fуrmula bбsica clбssica da potкncia mecвnica:
PM = CM s.
Menosprezando as perdas de potкncia, podemos escrever,
PM = Pel.
A potкncia elйtrica para o motor sнncrono trifбsico serб:
Pel = 3 V1 I1 cos.
Considerando os triвngulos Oca e abc ( Fig.3.24 ),
temos ac = Eo sen = I1 Xs cos
e pode-se determinar
.
Como resultado, obtйm-se
,
de onde
.
Se o termo for constante, a formula do conjugado motor serб:
CM = Cmax sen .
3.2.4 Характеристики двигателя
A caracterнstica CM = f() chama-se Caracterнstica de вngulo ( Fig.3.25 ). Esta caracterнstica tem dois intervalos principais:
I - intervalo de funcionamento estбvel,
II - intervalo de funcionamento instбvel.
Fig.3.25
Quando o вngulo й menor que 90° o motor esta funcionando em condiзгo estбvel ( p.A ), ou seja, o motor tem a propriedade de autoregulaзгo. Se o conjugado resistente aumenta Cr +C, o вngulo 1 aumenta tambйm 1 + . Conforme demostra a fуrmula do conjugado motor, CM aumenta tambйm, e o novo ponto de equilнbrio serб o ponto B, e vice versa.
Quando o вngulo й maior que 90° o motor esta funcionando em condiзгo instбvel ( p.D ), ou seja, no motor hб "perda de sincronismo". Por isso, o вngulo = 90° chama-se вngulo crнtico.
Na prбtica, o valor deste вngulo й de 30° atй 40°.
Caracterнstica Mecвnica C = f ( n ) do motor sнncrono й uma reta paralela ao eixo dos X ( Fig.3.26). Neste caso, a velocidade da rotaзгo й constante, й independente da carga do motor.
Uma famнlia das caracterнsticas tipo "V" й mais importante para utilizaзгo industrial de motores sнncronos ( Fig.3.27 ).
Fig.3.26 Fig.3.27
Esta figura mostra que existe uma corrente minima para cada curva, que corresponde ao fator de potкncia cos = 1, e dois intervalos: sobreexcitaзгo e sobexcitaзгo. No intervalo de sobexcitaзгo o motor sнncrono funciona comportando-se como uma reatвncia indutiva e, no intervalo de sobreexcitaзгo, como uma reatвncia capacitiva.
Esta propriedade й uma das vantagens que este motor apresenta. Ela permite usar o motor sнncrono como compensador ( capacitor sнncrono ) do fator de potкncia nas instalaзхes industriais.