Круговая диаграмма асинхронного двигателя

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 φ₀ = Р₀/ (m₁ U₁ I₀). (14.7)

По результатам измерений и вычислений строят характери­стики х.х. I₀, P₀, P^/₀и соs φ₀ = f (U₁), на которых отмечают значе­ния величин I_0ном, Р_0ном, Р^/_0ном и соs φ₀ 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 f ₁ 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 Θ₁, 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

Θ₁ = [(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 Θ₂ 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(Θ₂ – Θ₁)] (14.14)

где r_к' - активное сопротивление к.з. при температуре Θ₁ 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 /ω₁ = (Р_к.ном - Р_э1к - Р_м.к)/ω₁,

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 f ₂ = f ₁.

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.

Рис 14.5. К обоснованию круговой диаграммы асинхронного двигателя

воспользоваться результатами опытов х.х. и к.з.

Круговую диаграмму строят в следующем порядке. Проводят оси координат и на оси ординат строят вектор напряжения (рис. 14.6). Выбрав масштаб тока m₁ (А/мм), проводят вектор тока I₀ (отрезок ОН ) под углом φ₀ к оси ординат. Из точки H, назы­ваемой точкой х.х., соответствующей скольжению s = 0, проводят прямую, параллельную оси абсцисс, на которой откладывают от­резок НС,равный диаметру окружности токов (мм)

D_i = (U₁/x_к)/ m_i. (14-17)

Рис 14.6. Круговая диаграмма асинхронного двигателя

Для обеспечения достаточной точности при последующем ис­пользовании круговой диаграммы следует принять масштаб тока m_i - таким, чтобы диаметр D_i был не менее 200 мм, при этом все по­строения следует вести остро отточенным карандашом.

Разделив отрезок НСна две равные части, получаем точку О₁,из которой радиусом D_i/ 2 проводим полуокружность. Затем из точки Н в масштабе токов проводят дугу радиусом, эквивалент­ным току к.з. I_к.ном. В месте пересечения этой дуги и полуокружно­сти токов получаем точку К, называемую точкой к.з.Соединив точки Н и К, получаем вектор тока короткого замыкания = I_п. Точке Кна диаграмме соответствует скольжение s= 1.

На средней части отрезка О₁Сотмечаем точку F, в которой восставляем перпендикуляр к диаметру НС. На этом перпендику­ляре отмечаем отрезок

FF₁ = HF(r₁/ x_к). (14.18)

Из точки Н через точку F₁ проводим прямую до пересечения с окружностью в точке Т.Точка Т соответствует скольжению s = ± ∞ (ротор вращается по часовой стрелке или против нее с бес­конечно большой скоростью).

Таким образом, на круговой диаграмме отмечены три харак­терные точки: Н (s = 0), К(s = 1) и Т (s = ± ∞). Между этими точками расположены три зоны возможных режимов асинхронной машины. При обходе окружности токов по часовой стрелке этим режимам соответствуют:

а) дуга НК— двигательный режим (s = 0 ÷ 1);

б) дуга КТ— тормозной режим (s= 1 ÷ ∞);

в) дуга ТСН (включая не показанную на рис. 14.6 нижнюю по­луокружность) — генераторный режим (s = - ∞ ÷ 0).

Соединив точки Ни К,получим линию полезной мощности НК, соединив точки Н к Т, получим линию электромагнитной мощности НТ.

Точка Е на круговой диаграмме соответствует максимальному моменту, т. е. критическому скольжению s_кр. Положение этой точ­ки определяется следующим образом: из точки О₁опускают пер­пендикуляр на линию электромагнитной мощности НТи продол­жают его до пересечения с окружностью токов в точке Е.

Рассматриваемая круговая диаграмма является упрощенной, так как она построена при предположении постоянства активных и индуктивных сопротивлений схемы замещения асинхронного дви­гателя. Однако эти сопротивления при изменениях нагрузки дви­гателя меняют свои значения. Объясняется это тем, что с ростом нагрузки усиливается магнитное насыщение зубцовых слоев ста­тора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивле­ний х₁, х_mи х'₂. Кроме того, рост нагрузки двигателя сопровожда­ется увеличением скольжения, а следовательно, и увеличением частоты тока в обмотке ротора. Это является причиной усиления эффекта вытеснения тока [см. § 15.3] - явления, вызывающего увеличение активного сопротивления обмотки ротора r₂'. Практи­ка применения упрощенной круговой диаграммы показывает, что ошибка от применения упрощенной круговой диаграммы стано­вится заметной при скольжениях s > s_кр,а при скольжениях, пре­вышающих 0,4—0,5, эта ошибка недопустима.

Таблица 14.1

Значения параметров при скольжении s	0,01	0,02	0,03	0,046	0,06	0,20
r/2/s, Ом				39,1		10,1
rэк = r1 + r/2/ s, Ом	181,7	91,7	61,7	40,8	31,7	11,8
zэк = , Ом			62,5		33,2	15,5
cos φ2 = rэк/ zэк	0,998	0,996	0,987	0,971	0,955	0,760
I/2 = U1/ zэк, А	1,21	2,39	3,52	5,24	6,63	14,20
I/2a = I/2 cos φ2, А	1,21	2,38	3,47	5,09	6,33	10,7
I/2p = I/2 sin φ2, А	0,08	0,19	0,57	1,25	1,95	9,20
I1a = I0a + I/2a, А	1,65	2,82	3,91	5,54	6,77	11,10
I1p = I0p + I/2p, А	1,85	1,96	2,34	3,02	3,72	10,9
I1 = , A	2,48	3,43	4,55	6,30	7,70	15,5
cos φ1 = I1a/ I1	0,66	0,82	0,86	0,88	0,88	0,71
P1 = m1U1I1a, Вт
Рэ1 = m1I12r1, Вт	31,0	60,0
Рэм = Р1 – Рэ1 – Рм,Вт
М = Рэм/ ω1, Н м	6,2	10,9	15,3	21,4	26,0	38,7
Рэ2 = s Рэм, Вт						—
β2 =(I1/ I1ном)2	0,15	0,29	0,52	1,0	1,44	—
Р/доб = β2 Рдоб.ном, Вт	2,7	5,2	9,4			—
Р2 = Рэм – Рэ2 – —Рмех – Рдоб, Вт						—
η = Р2/ Р1	0,70	0,79	0,82	0,82	0,81	—
n2 = n1(1-s), об/мин						—
М2 = 9,55Р2/ n2, Н м	4,9	9,6	13,8	20,0	24,5	—

Контрольные вопросы

1.Какие существуют методы получения данных для построения рабочих харак­теристик асинхронных двигателей?

2.Чем ограничивается применение метода непосредственной нагрузки?

3.Как определить величину механических и магнитных потерь двигателя по характеристикам х.х.?

ГЛАВА 15

• Пуск и регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей

Рис. 15.1. Зависимость пускового момента от

активного сопротив­ления цепи ротора

приве­денное к обмотке статора. Влияние возросшего значения активно­го сопротивления на пусковой момент двигателя М_п следует из (13.19). Это влияние графически показано на рис. 15.1, из которого видно, что если при отсутствии ПР, т. е. при активном сопротив­лении цепи ротора R₂ = r₂, пусковой момент М_п = М_по, то при введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления r_доб, когда R^/₂ = r₂' + r_доб', пусковой момент возрастает и при R^//₂ = r₂' + r_доб' = х₁ + х'₂ достигает наибольшего значения М_п.наиб. При R^/₂ > х₁ + х'₂ пусковой момент уменьшается.

При выборе сопротивления пускового реостата r_доб исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при значи­тельном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пускового реостата r_до6 выбирают таким, чтобы обеспечить наибольший пус­ковой момент (см. график при r^/_2Ш на рис. 13.6); если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказы­вается целесообразным сопротивление ПР r_доб выбирать несколько больше значения, соответствующего наибольшему пусковому мо­менту, т. е. чтобы R^/₂ > x₁ + х'₂. В этом случае пусковой момент оказывается несколько меньшим наибольшего значения М _п.mах, но зато пусковой ток значительно уменьшается (см. график при r'_2IV на рис. 13.6).

На рис. 15.2, а показана схема включения ПР в цепь фазного ро­тора. В процессе пуска двигателя ступени ПР переключают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему. На рис. 15.2, бпредставлен график изменения пускового мо­мента асинхронного двигателя при четырех ступенях пускового реостата. Так, в начальный момент пуска (первая ступень реоста­та) пусковой момент равен М_п.maх. По мере разгона двигателя его момент уменьшается по кривой 1. Как только значение момента уменьшится до значения М_п.minрычаг реостата переводят на вторую ступень и сопротивление реостата

Рис. 15.2. Схема включения пускового реостата (а) и построение графика пускового момента (б) асинхронного двигателя с фазным ротором

уменьшается. Теперь зави­симость М = f (s) выражается кривой 2и пусковой момент двигате­ля вновь достигает М_п.mах. Затем ПР переключают на третью и на четвертую ступени (кривые 3 и 4).После того как электромагнит­ный момент двигателя уменьшится до значения, равного значению противодействующего момента на валу двигателя, частота враще­ния ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. Таким образом, в течение всего процесса пуска значение пускового момента остается приблизительно постоянным, равным М_п.ср. Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.

Пусковые реостаты состоят из кожуха, рычага с переключаю­щим устройством и сопротивлений, выполненных из металличе­ской проволоки или ленты, намотанной в виде спирали, или же из чугунного литья. Пусковые реостаты рассчитаны на кратковре­менное протекание тока, а поэтому рычаг пускового реостата нельзя долго задерживать на промежуточных ступенях, так как сопротивления реостата могут перегореть. По окончании процесса пуска, когда рычаг реостата находится на последней ступени, обмотка ротора замкнута накоротко.

В заключение отметим, что в асинхронных двигателях с фаз­ным ротором обеспечивается наиболее благоприятное соотноше­ние между пусковым моментом и пусковым током: большой пусковой момент при небольшом пусковом токе (в 2—3 раза больше номинального). Недостатками пусковых свойств двигателей с фазным ротором являются некоторая сложность, продолжительность и неэкономичность пусковой операции. Последнее вызыва­ется необходимостью применения в схеме двигателя пускового реостата и непроизводительным расходом электроэнергии при его нагреве.

Использование асинхронных двигателей, укомплектованных такими устройствами для частотного регулирования, наиболее целесообразно в пожаро- и взрывоопасных средах (химическая и нефтеперерабатывающая промышленность), где применение коллекторных двигателей (см. гл. 29) недопустимо.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора. Этот способ регулирования частоты вращения дает ступенчатую регулировку. Так, при f ₁ =50 Гц и р = 1÷5 пар полюсов можно получить следующие синхронные частоты вращения: 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Изменять число полюсов в обмотке статора можно либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.

Принцип преобразования четырехполюсной обмотки в двух­полюсную (для одной фазы) показан на рис. 15.12: при последова­тельном согласном соединении двух катушек возбуждаемое ими магнитное поле образует четыре полюса (рис. 15.12, а); при по­следовательном встречном (рис. 15.12, б) или параллельном со­единениях (рис. 15.12, в) — два полюса. Таким образом, принцип образования полюсно переключаемой обмотки основан на том, что каждая фаза обмотки делится на части (катушечные группы), из­меняя

Рис 15.12. Схемы включения обмотки статора

на разное число полюсов

схему соединения которых получают разное число полюсов.

Возможны два режима работы асинхронных двигателей с по­люсно переключаемыми обмотками:

режим постоянного момента (рис. 15.13, а) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую вращающий момент на валу двигателя М₂ остается неизменным, а мощность Р₂ изменяется пропорционально частоте вращения n₂:

Рис. 15.13. Схемы переключения числа полюсов и механиче­ские характеристики в режимах постоянного момента (а) и постоянной скорости (б)

Р₂ = 0,105 М₂ n₂ (15.7)

режим постоянной мощности (рис. 15.13, б) — при переключении двигателя с одной частоты вращения на другую мощность P₂ остается примерно одинаковой, а момент на валу M₂ изменяется соответственно изменению частоты вращения n₂:

М₂ = 9,55 Р₂/ n₂. (15.8)

Если на статоре расположить две полюсно переключаемые обмотки, то получим четырехскоростной двигатель. Однако воз­можно применение и одной обмотки, допускающей путем пере­ключения катушечных групп получение до четырех вариантов различных чисел полюсов. Например, асинхронный двигатель ти­па 4А180М12/8/6/4 имеет на статоре обмотку, допускающую пере­ключение на 12,8,6,4 полюса.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов на статоре применяют исключительно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, так как число полюсов в обмотке этого ротора всегда равно числу полюсов статора и для изменения частоты вращения достаточно изменить число полюсов в обмотке ротора. В случае же фазного ротора пришлось бы и на роторе применить полюсно переключаемую обмотку, что привело бы к недопустимому усложнению двигателя.

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуются пусковые свойства асинхронных дви­гателей? 2. Каковы достоинства и недостатки пусковых свойств асинхронных двигателей?

3. Как лучше, с точки зрения улучшения пусковых свойств, уменьшить пуско­вой ток: снижением подводимого к двигателю напряжения или увеличением активного сопротивления в цепи обмотки ротора?

4. Каковы достоинства и недостатки пуска асинхронных двигателей непосред­ственным включением в сеть?

5. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?

6. В чем сущность эффекта вытеснения тока и почему он возникает при пуске двигателя и почти исчезает при его работе?

7. Почему бутылочная форма паза ротора способствует лучшему проявлению эффекта вытеснения тока?

8. Перечислите способы регулирования частоты вращения асинхронных двига­телей и дайте им сравнительную оценку.

9. Почему при частотном регулировании частоты вращения одновременно с частотой тока необходимо изменять напряжение?

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 φ₀ = Р₀/ (m₁ U₁ I₀). (14.7)

По результатам измерений и вычислений строят характери­стики х.х. I₀, P₀, P^/₀и соs φ₀ = f (U₁), на которых отмечают значе­ния величин I_0ном, Р_0ном, Р^/_0ном и соs φ₀ 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 f ₁ 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 активну

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: