Особые режимы работы и виды асинхронных машин

2.8. Особые режимы работы и виды асинхронных машин

         2.8.1. Асинхронный генератор

         Теоретически скольжение АМ в режиме генератора может изменяться в пределах . Для осуществления этого режима работа АМ включается в сеть переменного тока и вращается посторонним двигателем  частотой вращения n>n₁ в сторону вращения поля.

         Перед включением АМ генератором ее следует раскрутить в сторону вращения поля до частоты n ≈ n₁. Так как  в генераторном режиме , то активная составляющая  вторичного тока изменяет свой знак по сравнению с двигательным режимом

,

следовательно, меняет знак и электромагнитный момент

.

Рекомендуемые материалы

         Момент становится тормозным. Реактивная составляющая вторичного тока не меняет знак

,

в результате, можно построить векторную диаграмму асинхронного генератора (рис.2.40), имея виду, что .

Из векторной диаграммы следует, что активная составляющая  первичного тока , так как , следовательно, P₁=m₁I₁U₁. Таким образом, в отличие от АД, асинхронный генератор не потребляет из сети активную мощность, а отдает ее в сеть, преобразуя механическую мощность с вала в электрическую. Об этом также свидетельствует изменение знака  сопротивления , включаемое во вторичную цепь схемы замещения АМ, приведенной к работе трансформатором.

Это сопротивление становится отрицательным, следовательно, изменит знак и мощность, выделяемая в этом сопротивлении , что эквивалентно механической мощности .

Что касается реактивных составляющих первичного тока и первичной мощности, то они не меняют своего знака по сравнению с двигательным режимом

, Q₁=m₁ I₁U₁.

         Таким образом, асинхронный генератор (АГ), как и АД, потребляет реактивный ток и реактивную мощность из сети. Следовательно, АГ может работать лишь на сеть, на которую одновременно работают источники, вырабатывающие реактивную мощность (СГ, конденсаторы).   Это существенный недостаток АГ и он применяется относительно редко. Этот режим используется как побочный при использовании АД. Изобразим энергетическую диаграмму АГ (рис.2.41).

Режиму АГ соответствует нижняя часть круговой диаграммы.

         Рассмотрим работу АГ в автономном режиме (рис. 2.42) . В этом случае к зажимам  АМ подключается батарея конденсаторов. В этом случае АГ самовозбуждается, причем процесс самовозбуждения аналогичен процессу в генераторе постоянного тока с самовозбуждением (рис. 2.43).

Условия самовозбуждения – наличие остаточного потока ротора. При вращении ротора  наводит в обмотке ротора , под действием которой протекает ток , который является одновременно намагничивающим током АГ.

Он вызывает увеличение ЭДС до значения , что вызывает дальнейшее увеличение тока  и т.д. Самовозбуждение идет пока >U_c=I_cx_c и прекращается в точке А, в которой наступает равенство .

2.8.2. Режим противовключения (электромагнитного тормоза)

В этом режиме ротор АМ, подключенный к сети вращается в сторону, противоположную вращению поля, следовательно, частоте вращения ротора n<0, а скольжение . Вращение осуществляется за счет механической энергии внешнего приводного механизма. Теоретически скольжение изменяется  в пределах . На практике обычно .  В режиме противовключения активная и реактивная составляющие вторичного тока имеют те же знаки, что и в двигательном режиме. В режиме противовключения АМ развивает положительный электромагнитный момент, действующий в направлении поля, однако он является тормозящим, т.к. действует встречно по отношению к вращению ротора.

         С другой стороны к ротору приложен внешний вращающий момент и таким образом машина получает механическую мощность с вала. Об этом свидетельствует изменение знака воображаемого сопротивления , включенного во вторичную цепь схемы замещения АМ, приведенной к работе трансформатором. Это сопротивление становится отрицательным. Отрицательной оказывается и выделенная в нем электрическая мощность , что является эквивалентом  мощности механической.

         Таким образом, АМ в режиме противовключения потребляет мощность с двух сторон: электрическую со стороны сети и механическую со стороны вала, и вся эта мощность расходуется на потери в машине и в основном на покрытие электрических потерь в обмотке ротора. Полезной мощности АМ в этом режиме не развивает. В связи с этим режим электромагнитного тормоза является самым тяжелым в тепловом отношении.

         В данном случае электромагнитная мощность, получаемая от сети, переводится на ротор,  частично покрывая электрические потери в роторе. Другая часть потерь  покрывается за счет механической мощности с вала.

         В соответствии с этим изобразим энергетическую (рис. 2.44) и векторную

(рис. 2.45) диаграмму АМ.

В этом режиме сопротивление  мало, поэтому вторичный ток  и угол  значительны. При этом первичный ток  и угол  также велики. Это подтверждает, что режим противовключения является тяжелым в тепловом отношении.

Режим электромагнитного тормоза применяется для торможения и остановки АД и приводимых им в движение механизмов.

Это осуществляется путем изменения направления вращения поля за счет переключения двух любых питающих проводов (фаз) обмотки статора. Механическая мощность развивается за счет вращения по инерции масс ротора и присоединенного к нему механизма при уменьшении частоты вращения. При n=0 машина  отключается от сети. При осуществлении реверса отключение не происходит.

        

         В случае АДФ, в процессе осуществления режима противовключения, в цепь ротора включают добавочные сопротивления (тормозной режим становится устойчивым).

2.8.3.   Индукционный регулятор. Фазорегулятор

Индукционный регулятор (ИР) представляет собой АДФ с заторможенным ротором, работающий как поворотный автотрансформатор. Он предназначен для регулирования напряжения сети переменного тока. ИР бывают одно и трехфазные. Более широко применяется трехфазные ИР.

         Первичная обмотка ИР с числом витков  подключается параллельно к сети, а вторичная с числом витков  – последовательно с этой цепью Обычно в качестве первичной используется обмотка ротора, так как в этом случае с помощью щеток и контактных колец выводятся лишь три зажима. Обмотка ротора может быть соединена в У или Д (рис. 2.45,а).      При подключении ИР к сети первичная обмотка создает вращающее магнитное поле Ф. Это поле индуктирует в соответствующих фазах  ротора и статора ЭДС Е₁ и Е₂ . Эти ЭДС сдвинуты по фазе на угол β равный пространственному сдвигу осей соответствующих фаз. Следовательно, напряжение на выходе ИР будет равно геометрической сумме этих ЭДС, т.е.  или _.  Векторная диаграмма изображена на рис.2.45,б.

При повороте ротора конец вектора Ė₂ будет скользить по окружности. При этом если β = 0˚ и β = 180˚  получим соответственно:

,

.

Если  , то , тогда , а .

Попутно отметим, что поворот ротора ИР и фиксация его в нужном положении осуществляется с помощью червячной передачи с ручным или электроприводом.

Рассмотренный ИР имеет два недостатка:

1) при изменении величины U₂ изменяется и его фаза, что не всегда желательно,

2) в результате взаимодействия вращающегося поля  с токами, возникает вращающий момент, действующий на червячную передачу.

Поэтому применяют сдвоенный ИР (рис.2.46,а), представляющий собой совокупность двух одиночных ИР с общим валом. Обмотки роторов сдвоенного ИР включаются параллельно сети, а статорные обмотки последовательно.

На первичной и вторичной сторонах одного из ИР осуществляется переключение двух фаз. В результате этого изменяется направление вращения поля этого ИР. Таким образом, каждый ИР создает свое поле, причем поля вращаются в противоположных направлениях (рис.2.46,б). При повороте ротор по направлению вращения одного поля, ротор другого ИР поворачивается против поля. В результате ЭДС  и  будут поворачиваться в противоположные стороны на равные углы. При этом напряжение на выходе ИР, изменяясь по величине, будет неизменным по фазе .

Будет отсутствовать и вращающий момент на валу.

АДФ можно использовать в качестве фазорегулятора (ФР), т.е. для изменения фазы напряжения. Выходное напряжение снимается с контактных колец машины. Если принять , то можно считать  и .  и  – ЭДС в фазах статора и ротора, индуктируемые вращающемся полем. При повороте ротора изменяется угол β. Векторы  поворачиваются относительно векторов .

 Поворот и фиксация ротора осуществляется с помощью червячной передачи.

2.8.4. Работа АД при неноминальных условиях

а) Изменение частоты

При эксплуатации АД возможно изменение номинальных условий, например частоты питающей сети , которая может быть больше или меньше . Допустим , нагрузочный момент AД равен номинальному . Если пренебречь падением  напряжения в обмотке статора, то можно записать:

.           (2.19)

При любых изменениях  изменяется поток, что вызывает изменение тока холостого хода . Так как

,                (2.20)

то изменение потока вызывает изменение тока .

         Допустим . Согласно (2.19) поток при этом увеличивается, что приводит к увеличению тока холостого хода и уменьшению коэффициента мощности. С другой стороны, согласно (2.20) уменьшение тока  вызывает уменьшение тока . Однако  будет повышаться за счет превалирующего увеличения тока холостого хода  (рис. 2.47). Это может вызвать перегрев обмотки статора. Кроме того, увеличение потока сопровождается увеличением магнитных потерь. При повышении частоты, поток согласно (2.19) понижается, в результате чего уменьшается ток холостого хода , но при этом, согласно (2.20), увеличивается вторичный ток , вызывая перегрев обмотки ротора. Увеличение тока  может вызвать повышение первичного тока . Однако, уменьшение тока холостого хода  может оставить неизменным ток . Таким образом, отклонение частоты ухудшают условия работы АД, работающих при номинальной нагрузке. Согласно стандарту АД должны отдавать номинальную мощность при отклонении частоты ± 5%.

б) Изменение первичного напряжения

В данном случае любые изменения напряжения, вызывают изменение потока, как и в предыдущем случае. Такие изменения сопровождаются аналогичным ухудшением условий работы АД при номинальной нагрузке. Согласно стандарту АД должны отдавать номинальную мощность при отклонениях питающего напряжения в пределах  –5% до +10%. Если напряжение и частота меняются одновременно, то согласно стандарту АД должен развивать номинальную мощность, если сумма процентных  отклонений, без учета знака, не превышает 10 %.

в) Переключение обмотки статора слабонагруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду

Предполагается, что нормальное соединение обмотки статора – треугольник (Д) (рис. 2.48). Если нагрузка АД составляет 30…40% от номинальной, то  уменьшение напряжения питания  приводит к улучшению энергетических показаний двигателя.  Действительно, как показано выше с уменьшением  уменьшается Ф, что сопровождается уменьшением тока холостого хода  и улучшением коэффициента мощности. Кроме того, магнитные потери уменьшаются пропорционально  . Увеличение   не представляет особой опасности, т.к. двигатель недогружен, и первичный ток может оказаться равным номинальному или меньше его. Все это улучшает энергетические показатели  АД. На практике уменьшение фазного напряжения недогруженного АД осуществляется путем переключений обмотки статора с Д на У.

В этом случае фазное напряжение уменьшается в √3 раз, поток также уменьшается в √3 раз, вызывая уменьшение тока холостого хода в (2…2,5) раза.  увеличивается в √3 раз. Такое переключение сопровождается увеличением КПД и коэффициента мощности недогруженного АД.

1.8.5. Работа трехфазных асинхронных двигателей

          при несимметрии трехфазных напряжений

Допустим, что подводимые к АД напряжения  образуют не симметричную трехфазную систему напряжений. Ее можно представить в виде двух симметрических систем  и .

                Здесь второй индекс «1» относится к прямой последовательности, а «2» - к обратной. При этом:

                                          ,

                                         ,

   ,

 где  – оператор поворота.

,

.

         Составляющих нулевой последовательности нет, т.к. отсутствует нулевой провод.

         Система напряжения прямой последовательности создает в статоре симметричную трехфазную  систему токов . Эти токи создают вращающиеся магнитное поле прямой последовательности, которые наводят в роторе токи прямой последовательности . В результате взаимодействия токов  и  образуется результирующее магнитное поле прямой последовательности, относительно которого ротор вращается со скольжением .

Схема замещения соответствующая током прямой последовательности  и прямому полю имеет вид (рис.2.49).

В результате взаимодействия прямого поля и токами ротора создается момент

.

Система обратной последовательности вызывает появление в обмотке статора токов обратной последовательности . Последние создают поле обратной последовательности, которое вращается в противоположную сторону с частотой . Это поле наводит в обмотке ротора токи обратной последовательности . Токи обратной последовательности статора и ротора создают результирующее поле обратной последовательности, по отношению к которому ротор вращается со скольжением

.

Так как , то , то в результате взаимодействия обратного поля с токами ротора обратной последовательности возникает электромагнитный момент

.

Схема замещения имеет вид (рис. 2.50)

Результирующий момент АД в данном случае

.

Для токов прямой и обратной последовательности частоты неодинаковы . Здесь следует учитывать наиболее сильное влияние эффекта вытеснение для токов обратной последовательности.

Как следует из последнего рисунка, момент при несимметрии питания уменьшается, уменьшается  КПД, появляются потери от обратного поля (рис. 2.51).        

1.8.6. Несимметрия сопротивлений во вторичной цепи

          асинхронного двигателя

Несимметрия сопротивлений обмотки ротора АД может быть вызвана в АДФ из-за плохого контакта в цепи одной из фаз ротора, а случае  АДК – обрывом одного или  нескольких стержней.

При не симметрии сопротивлений обмотки ротора токи в его фазах будут не одинаковы. Они образуют несимметричную систему токов, которую можно представить в виде 2-х симметричных  и . Эти токи имеют частоту . Они создают прямое и обратное поле, вращающееся относительно ротора с частотой вращения .

Прямое поле ротора вращается относительно статора с частотой вращения

 .

Рекомендация для Вас - 2 Запись слов, словосочетаний, терминов.

Таким образом, прямое поле ротора вращается с той же частотой вращения относительно статора, что и поле статора, т. е. эти поля вращаются синхронно с частотой . Они неподвижны относительно друг друга и образуют результирующее поле. В результате взаимодействия последнего с токами ротора возникает электромагнитный может М₁ аналогичный моменту при симметричном питании.

Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой вращения

.

Это обратное поле наводит в статоре токи  частоты , замыкающиеся через сеть. В результате взаимодействия обратного поля ротора с токами  возникает момент . Величина этого момента зависит от частоты вращения ротора или от его скольжения. Действительно, если , то , а момент , т. е. является ускоряющим. При  , момент , т. е. является тормозным. При  . Таким образом, момент  является знакопеременным. Поясним это графически и изобразим  зависимости  (рис.2.52).

Кривая результирующего момента  имеет провал при частоте вращения близкой к полусинхронной. В связи с этим при пуске АД возможно «застревание» двигателя на полусинхроной частоте вращения (точка а см. рис. 2.52,в). Это явление называют  эффектом одноосного  включения.