Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя

 

Ранее было установлено, что МДС трехфазной обмотки статора помимо основной гармоники содержит ряд высших пространственных гармоник (см. § 9.5). Каждая из этих гармоник создает в машине вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в υ раз меньше частоты вращения поля основной гармоники [см. (9.18)]. При этом высшие пространственные гармоники МДС по­рядка υ = 6х + 1 создают прямовращающиеся (прямые) по­ля, а гармоники порядка υ = 6х - I — обратновращающиеся (обратные) поля.

Асинхронные моменты.Магнитные поля от высших про­странственных гармоник, сцепляясь с обмоткой ротора, наводят в ней ЭДС и создают в двигателе собственные электромагнитные асинхронные моменты. Эти моменты ухудшают свойства двигате­ля, поэтому их принято называть паразитными. При рассмот­рении выражения электромагнитного момента и механической характеристики асинхронного двигателя (см. § 13.2) имелось в ви­ду действие лишь магнитного поля основной гармоники. Если же учесть влияние высших пространственных гармоник поля, то кри­вая электромагнитного момента (см. рис. 13.3) окажется искажен­ной. В зависимости от направления и частоты вращения n_υ маг­нитного поля высшей пространственной гармоники и направления создаваемого ею электромагнитного момента M_υ высшие про­странственные гармоники поля могут создать в асинхронном дви­гателе три режима: двигательный режим, если поле выс­шей гармоники прямовращающееся и частота его вращения n_υ > n₂, а направление момента M_υ положительное, т. е. он направлен со­гласно с моментом основной гармоники М; генераторный режим, если поле высшей гармоники прямовращающееся и час­тота его вращения n_υ < n₂, а направление момента M_υ отрицатель­ное, т. е. он направлен встречно моменту основной гармоники М; тормозной режим, если поле высшей гармоники обратновращающееся, a M_υ отрицательный, т. е. направлен встречно мо­менту основной гармоники М.

На рис. 13.10, а представлены графики моментов асинхронного двигателя M_υ = f(s)от прямого поля седьмой гармоники и обратного поля пятой гармоники, где s - скольжение ротора относительно поля основной гармоники. Обратное поле пятой гармоники при s = 0 ÷ 1 соз­дает отрицательный момент М₅ (тормозной режим); прямое поле седьмой гармоники при 0, 857 < s < 1 создает положительный момент M₇ (двигательный режим), а при s < 0, 857 — отрицательный момент М₇ (генераторный режим). Сложив ординаты моментов М₇ и М₅ с ор­динатами момента основной гармоники М, получим кривую резуль­тирующего асинхронного момента (рис. 13.10, б):

M_РЕЗ = M + М₅ + М₇. (13.26)

«Провал» кривой момента М_РЕЗ, (участок при 0, 7 < s < 0, 85, на котором М_РЕЗ < М_ст) затрудняет процесс разгона двигателя и может вызвать «застревание» ротора на малой частоте вращения.

Наибольшую опасность представляют собой паразитные асинхронные моменты при короткозамкнутой обмотке ротора, так как в этом случае токам, наведенным высшими гармониками маг­нитного поля в стержнях ротора, оказывается небольшое электри­ческое сопротивление. В двигателях с фазным ротором действие паразитных асинхронных моментов намного слабее.

Заметное влияние на форму кривой электромагнитного момента оказывают асинхронные паразитные моменты от гармоник поля зубцового порядка (обусловленных наличием зубцов на статоре и роторе):

v_Z1 = (Z₁/p) ± l; v_Z2 = (Z₂/p) ± l. (13.27)

 

 

 

Рис. 13.10. Асинхронные моменты от основной

и выс­ших (5-й и 7-й) гармоник поля

 

 

 

Рис. 13.11. Влияние взаимного расположения

в простран­стве полюсов высших пространственных

гармоник поля статора и ротора на направление

синхронного момента:

а— синхронный момент положительный,

б— синхронный мо­мент отрицательный

 

Эффективное средство ослабления влияния высших гармоник на свойства двигателей — скос пазов ротора в пределах зубцового деления.В этом случае ЭДС в стержнях ротора от зубцовых гармоник поля статора снижаются почти до нуля. Действие высших гармоник поля ослабляют также правильным выбором числа пазов статора Z₁ и ротора Z₂.Рекомендуется соотношение Z₂ ≤ l, 25 (Z₁ ± p ).

Синхронные моменты.Между вращающимися магнитными полями высших пространственных гармоник статора и ротора, имеющими одинаковый порядок, возникают силы магнитного взаимодействия. Результатом этого взаимодействия является воз­никновение синхронного момента М_cυ . В общем случае поля ста­тора и ротора от высших пространственных гармоник вращаются с разными частотами (n_{υ 1} ≠ n_{υ 2}), а поэтому направление синхронно­го момента M_cυ меняется в зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов взаимодействующих полей. Обычно частота изменения знака момента M_cυ велика, и из-за большой инерции ротора этот момент не оказывает заметного влияния на вращение ротора. Но при некоторой частоте вращения ротора поля высших гармоник статора и ротора начинают вращаться с одинаковой час­тотой вращения (n_{υ 1} = n_{υ 2}). В этом случае направление синхронного момента M_cυ становится стабильным. В зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов магнитных полей момент M_cυ мо­жет быть положительным или отрицательным (рис. 13.11).

Синхронные моменты в асинхронном двигателе нежелатель­ны, т. е. являются паразитными, так как они могут вызвать прова­лы в механической характеристике двигателя. Наибольшего зна­чения синхронные моменты достигают при наличии зубцовых гармоник поля статора и ротора одинакового порядка, т. е. при υ _z1 = υ _z2. Синхронные моменты наиболее опасны при следующих соотношениях пазов статора и ротора (Z₁и Z₂):

Z₁ = Z₂; Z₁ - Z₂ = ±2p. (13.28)

Особенно нежелательно равенство числа пазов на статоре и роторе (Z₁ = Z₂), так как это может привести к «прилипанию» ро­тора к статору: зубцы ротора силами магнитного тяжения удержи­ваются под зубцами статора. Уменьшению синхронных моментов способствует скос пазов на роторе.

Контрольные вопросы

1.Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе?

2.Почему магнитные потери в сердечнике ротора не учитывают?

3.На какие виды потерь влияют величина воздушного зазора и толщина пла­стин сердечника статора?

4.Используя данные примера 13.1 и задавшись значениями тока статора I₁ = 0, 5, 0, 75, 1, 15 I_1ном, определите соответствующие значения КПД и построй­те график η = f(P₂), при расчетах примите следующие значения коэффициен­та мощности: cos φ _{1.0, 5} = 0, 4, cos φ _{1.0, 75} = 0, 6; cos φ _{1.1, 15} = 0, 8.

5.Почему график I₁ = f(P₂)не выходит из начала координат?

6.Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его cos φ ₁, имеет низ­кие значения?

7.При каких условиях высшие пространственные гармоники поля создают и асинхронном двигателе двигательный, генераторный и тормозной режимы?

8. Какими причинами может быть вызван «провал» в механической характери­стике?

9.При каких условиях может происходить «прилипание» ротора к статору?

10. Какими мерами можно ослабить паразитные моменты в двигателе?

 

ГЛАВА 14

• Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей

Основные понятия

 

Существует два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод. Метод непосредственной нагруз­ки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до режима номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров. Этот метод обычно применяется для двигателей мощностью не более 10—15 кВт. С рос­том мощности двигателя усложняется задача его на­грузки, растут непроизводительный расход электро­энергии и загрузка электросети (исключение составляют установки, содержащие не­сколько электрических машин, включенных по схеме с частич­ным возвратом электроэнергии в сеть).

Применение этого метода ограничивается еще и тем, что не всегда представляется возможным создать испытательную установку по причине отсутствия требуемого обору­дования и недопустимости перегрузки электросети. Широкое применение получил более универсальный косвенный метод, применение которого не ограни­чивается мощностью двигателя. Этот метод заклю­чается в выполнении двух экспериментов: опыта холостого хода и опыта короткого замыкания.

Опыты х.х. и к.з. асинхронных двигателей в ос­новном аналогичны таким же опытам трансформа­торов (см. § 1.11). Но они имеют и некоторые осо­бенности, обусловленные главным образом нали­чием у двигателя вращающейся части — ротора. Кроме того, при переходе из режима х.х. в режим к.з. параметры обмоток двигателя (активные и ин­дуктивные сопротивления) не остаются неизменны­ми, что объясняется зубчатой поверхностью статора и ротора. Все это создает некоторые затруднения в проведении опытов и в последующей обработке их результатов.

Опыт холостого хода

 

Питание асинхронного двигателя при опыте х.х. осуществля­ется через индукционный регулятор напряжения ИР (рис. 14.1) или регулировочный автотрансформатор, позволяющие изменять напряжение в широких пределах. При этом вал двигателя должен быть свободным от механической нагрузки.

Опыт начинают с повышенного на­пряжения питания U₁ = 1, 15 U_ном, затем постепенно понижают напряжение до 0, 4 U_ном так, чтобы снять показания при­боров в 5—7 точках. При этом один из замеров должен соответствовать номи­нальному напряжению U_1ном. Измеряют линейные значения напряжений и токов и вычисляют их средние значения:

U_ср = (U_АВ + U_ВС + U_СА)/ 3 (14.1)

I_0ср = (I_ОА + I_ОВ + I_OC)/ 3 (14.2)

а затем в зависимости от схемы соедине­ния обмотки статора определяют фазные значения напряжения и тока х.х.: при соединении в звезду

U₁ = U_ср/ ; I₀ = I_ср (14.3)

при соединении в треугольник

U₁ = U_cp; U₀ = I_0cp/ . (14.4)

 

 

 

Рис. 14, 1. Схема включе­ния трехфазного асин­хронного

двигателя при опытах х.х. и к.з.

 

Ваттметр W измеряет активную мощ­ность Р₀, потребляемую двигателем в режиме х.х., которая включает в себя электрические потери в обмотке статора m₁ I²₀ r₁, магнитные по­тери в сердечнике статора Р_ми механические потери Р_мех (Вт):

Р₀ = m₁ I²₀ r₁ + Р_м + Р_мех (14.5)

Здесь r₁ - активное сопротивление фазы обмотки статора (Ом), измеренное непосредственно после отключения двигателя от сети, чтобы обмотка не успела охладиться.

Сумма магнитных и механических потерь двигателя (Вт)

P^/₀ = Р_м + Р_мех = Р₀ – m₁ I²₀ r₁ (14.6)

Коэффициент мощности для режима х.х.

cоs φ ₀ = Р₀/ (m₁ U₁ I₀). (14.7)

По результатам измерений и вычислений строят характери­стики х.х. I₀, P₀, P^/₀и соs φ ₀ = f(U₁), на которых отмечают значе­ния величин I_0ном, Р_0ном, Р^/_0ном и соs φ ₀ соответствующих номи­нальному напряжению U_1ном(рис. 14.2).

Если график Р^/₀ =f(U₁) продолжить до пересечения с осью ординат (U₁ = 0), то получим величину потерь Р_мех.

Это разделение магнитных и механических потерь основано на том, что при неизменной частоте сети f₁ частота вращения дви­гателя в режиме х.х. n₀, а следовательно, и механические потери Р_мех неизменны. В то же время магнитный поток Ф прямо пропорционален ЭДС статора Е₁. Для режима х.х. U₁ ≈ E₁, а поэтому при U₁ = 0 и магнитный поток Ф = 0, а следовательно, и магнитные потери Р_м = 0.

Определив величину механических потерь Р_мех, можно вычис­лить магнитные потери (Вт):

Р_м = Р^/₀ – Р_мех (14.8)

Для асинхронных двигателей с фазным ротором в опыте холо­стого хода определяют

 

 

Рис. 14.2. Характеристики х.х. трехфазного асинхронного

двигателя (3, 0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

 

коэффициент трансформации напряжений между обмотками статора и ротора. Этот коэффициент с доста­точной точностью может быть определен по отношению средних арифметических линейных (междуфазовых) напряжений статора к аналогичным напряжениям ротора.

 

Опыт короткого замыкания

Схема соединений асинхронного двигателя при опыте к.з. ос­тается, как и в опыте х.х. (см. рис. 14.1). Но при этом измеритель­ные приборы должны быть выбраны в соответствии с пределами измерения тока, напряжения и мощности. Ротор двигателя следует жестко закрепить, предварительно установив его в положение, со­ответствующее среднему току к.з. С этой целью к двигателю подводят небольшое напряжение (U_K = 0, 1U_ном) и, медленно повора­чивая ротор, следят за показанием амперметра, стрелка которого будет колебаться в зависимости от положения ротора двигателя. Объясняется это взаимным смещением зубцовых зон ротора и ста­тора, вызывающего колебания индуктивных сопротивлений обмо­ток двигателя.

Предельное значение тока статора при опыте к.з. устанавли­вают исходя из допустимой токовой нагрузки питающей сети и возможности провести опыт в минимальный срок, чтобы не вы­звать опасного перегрева двигателя. Для двигателей мощностью до 1 кВт возможно проведение опыта начиная с номинального на­пряжения U_K = 0, 1U_ном.В этом случае предельный ток I_к = (1, 5 ÷ 2, 5)х I_1ном. Для двигателей большей мощности сила предельного тока I_к = (2, 5 ÷ 5)х I_1ном. При выполнении опыта к.з. в учебных целях можно ограничиться предельным током I_к = (1, 5 ÷ 2, 5)х I_1ном. При выполне­нии опыта к.з. желательно соединение обмотки статора звездой.

Определив диапазон изменения тока статора при опыте к.з., опыт начинают с предельного значения этого тока, установив на индукционном регуляторе соответствующее напряжение к.з. U_K. Затем постепенно снижают это напряжение до значения, при кото­ром ток I_к достигнет нижнего предела установленного диапазона его значений. При этом снимают показания приборов для 5—7 то­чек, одна из которых должна соответствовать номинальному току статора (I_К = I_1ном). Продолжительность опыта должна быть мини­мально возможной. С этой целью измеряют лишь одно линейное напряжение (например, U_кАВ), так как некоторая несимметрия ли­нейных напряжений при опыте к.з. не имеет значения. Линейные токи измеряют хотя бы в двух линейных проводах (например, I_кА и I_кВ). За расчетное значение тока к.з. принимают среднее арифме­тическое этих двух значений. После снятия последних показаний приборов двигатель следует отключить и сразу же произвести за­мер активного сопротивления фазы обмотки статора r^/₁, чтобы определить температуру обмотки. Линейные напряжения и токи пересчитывают на фазные U_к и I_к по формулам, аналогичным (14.3) и (14.4).

Ваттметр W измеряет активную мощность к.з. P_к По полу­ченным значениям напряжений U_K, токов I_к и мощностей Р_квы­числяют следующие параметры:

коэффициент мощности при к.з.

cos φ _к = P_к (m₁ U_к I_к); (14.9)

полное сопротивление к.з. (Ом)

z_к = U_к / I_к; (14.10)

активные и индуктивные составляющие этого сопротивления (Ом)

r_к = r_к соs φ _к; (14.11)

x_к = (14.12)

Измеренные и вычисленные величины заносят в таблицу, а за­тем строят характеристики к.з.: I_к; Р_к и cos φ _к = f(U_к) (рис. 14.3).

При опыте к.з. обмотки двигателя быстро нагреваются до ра­бочей температуры, так как при неподвижном роторе двигатель не вентилируется. Температуру (°С) обмотки Θ ₁, обычно определяют по сопротивлению фазы r^/₂, измеренному непосредственно после

 

 

 

Рис. 14.3. Характеристики к.з. трехфазного асинхронно­го

двигателя (3, 0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

 

 

проведения опыта, по формуле

Θ ₁ = [(r^/₁ – r_1.20)(255/r_1.20) ] + 20, (14.13)

где — r_1.20 сопротивление фазы обмотки статора в холодном со­стоянии (обычно при температуре 20 °С), Ом.

Если же температура обмотки оказалась меньше расчетной рабочей температуры Θ ₂ для соответствующего класса нагревостойкости изоляции двигателя (см. § 8.4), то активное сопротивле­ние к.з. к_к (Ом) пересчитывают на рабочую температуру:

r_к = r^/_к [1 + α (Θ ₂ – Θ ₁)] (14.14)

где r_к' - активное сопротивление к.з. при температуре Θ ₁ отли­чающейся от расчетной рабочей; α = 0, 004.

Затем пересчитывают на рабочую температуру полное сопро­тивление к.з. z_k = , напряжение к.з. U_к = I_к z_k и мощность к.з. Р_к = m₁ I²_к r_к.

На характеристиках к.з. (рис. 14.3) отмечают значения вели­чин Р_к.ном, U_к.ном, соответствующих току к.з. I_к = I_1ном.

Ток и мощность к.з. пересчитывают на номинальное напряже­ние U_1ном:

I^/_к = I_п ≈ I_1ном (U_1ном / U_к.ном); (14.15)

Р^/_к ≈ Р_к.ном (U_1ном / U_к.ном)² (14.16)

Следует иметь в виду, что такой пересчет является прибли­женным, так как при U_K = U_1ном наступает магнитное насыщение сердечников (особенно зубцовых слоев) статора и ротора; это при­водит к уменьшению индуктивного сопротивления х_к, что не учи­тывается формулами (14.15) и (14.16). Кратность пускового тока равна I_п /I_ном.

Электромагнитная мощность в режиме к.з., передаваемая на ротор двигателя, равна электрическим потерям в обмотке ротора Р_Э2к, поэтому электромагнитный момент при опыте к.з. (Н м)

М_к ≈ М_п = P_э2к /ω ₁ = (Р_к.ном - Р_э1к - Р_м.к)/ω ₁,

где Р_э1к = m₁ I²_к._ном r₁ — электрические потери в обмотке статора при опыте к.з.

Магнитные потери при опыте к.з. Р_м.к приближенно опреде­ляют по характеристикам х.х. (см. рис. 14.2) при напряжении U₁ = U_K. В режиме х.х. магнитный поток Ф больше, чем в режиме к.з., но если в режиме х.х. магнитные потери происходят только в сердеч­нике статора (см. § 13.1), то в режиме к.з. (s = 1) магнитные потери происходят еще и в сердечнике ротора, так как f₂ = f₁.

Начальный пусковой момент получают пересчетом момента М_к на начальный пусковой ток I_п:

М_п ≈ М_К (I_П/ I_К)².

Затем определяют кратность пускового момента М_п/ М_ном.

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГРАНИЦ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЧЕЛОВЕКА
2. U–образные и рабочие характеристики синхронного двигателя
3. VIN и местоположение номера двигателя
4. А. Разомкнутые системы скалярного частотного управления асинхронными двигателями .
5. Автоматическое включение генераторов на параллельную работу. Способы включения генераторов, уравнительные токи и моменты
6. Анализ учебной программы по предмету «Физическое воспитание» для высших учебных заведений.
7. Антенны с круговой поляризацией
8. Асинхронного двигателя с фазным ротором
9. Б. Напряженность и потенциал электростатического поля и связь между ними. Принцип суперпозиции
10. Биполярное аффективное расстройство. Рекуррентное депрессивное расстройство. Этиология, клиника, диагностика, типы течения.
11. Быть рядом с супругом в критические моменты — лучшее, что вы можете подарить ему, если его родной язык — подарки.
12. В этом аудите сделаны основные акценты на самые важные моменты для усиление конверсии и заинтересованности посетителей (то есть аудит НЕ является окончательно полным).