Электрические двигатели и генераторы

Трансформаторы
Устройство трансформаторов
Векторная диаграмма трансформатора
Переходные процессы в трансформаторах
Трансформатор для дуговой электросварки
Импульсные трансформаторы
Расчет тока холостого хода
Трансформаторы специального назначения
Трёхфазной цепи
Электрические машины
Классификация электрических машин
Асинхронные машины
Режимы работы машин двигателем, тормозом и генератором
Векторная диаграмма асинхронного двигателя
Вращающий момент в асинхронной машине
Рабочие характеристики двигателей
Регулирование скорости вращения
Однофазные асинхронные двигатели
Двухфазные двигатели.
Асинхронный преобразователь частоты 
Генераторы переменного тока
Трехфазный синхронный генератор
Индукционная нагрузочная характеристика
Однофазный синхронный генератор

Реактивная машина 

Потери и коэффициент полезного действия

Машины постоянного тока

Электродвижущие силы коммутируемой секции

Система "генератор – двигатель"

Рабочие характеристики двигателей 

а) Определение рабочих характеристик опытным путем.

Под рабочими характеристиками или рабочими кривыми асинхронного двигателя обычно понимаются следующие зависимости:

I1, cosφ1, η, s = f(P2) при U1 = const и f = const (рис. 3-54).

Рис. 3-54. Рабочие характеристики двигателе на 10 кВт, 220/380 В, 1500 об/мин.

Рабочие характеристики двигателей небольшой мощности могут быть найдены путем непосредственного измерения тока I1, мощности P1, частоты вращения n2 и момента на валу Мв при различных нагрузках двигателя. Нагрузка двигателя при этом осуществляется с помощью какого-либо тормоза, позволяющего измерить создаваемый им тормозящий момент Мв, кг·м.

При опыте непосредственной нагрузки напряжение U1 и частоту тока f1 устанавливают равными номинальным значениям U1н и f1н. По данным измерений рассчитывается мощность, Вт,

и коэффициенты:

 ; .

Определение рабочих характеристик путем непосредственного измерения указанных величин обычно не дает достаточно точных результатов, так как измерения Mв и п2 практически трудно выполнить с надлежащей точностью. Погрешность при определении P2 дает примерно ту же погрешность при определении η. Поэтому обычно не рекомендуется определять к.п.д. η электрических машин по данным непосредственного измерения Р1 и Р2, если значение η >0,50. Однако в последнее время вследствие усовершенствования тормозов, позволяющих более точно измерить вращающий момент, метод непосредственного определения к.п.д. используется и в том случае, когда примерно значение η  0,70. Значение n2 близко к значению n1, поэтому погрешность, допущенная при измерении n2, сильно скажется на значении s. Скольжение s значительно более точно определяется по данным измерения частоты f2 тока ротора – по формуле .

Если производится испытание малых машин (Pн  0,4 кВт), то обычно используется метод непосредственного определения рабочих характеристик.

б) Определение рабочих характеристик по круговой диаграмме.

Рабочие характеристики могут быть определены при помощи круговой диаграммы. Для построения диаграммы должны быть известны параметры машины, которые могут быть найдены расчетным или опытным путем.

Рассмотрим построение диаграммы по опытным данным, которые получают из опытов холостого хода и короткого замыкания.

При опыте холостого хода машина должна работать двигателем вхолостую. Напряжение на ее зажимах устанавливается равным номинальному: U1 = U1н. При этом нужно измерить ток холостого хода I0 и мощность P0, потребляемую двигателем. По данным измерений находят: . Активная составляющая тока холостого хода I0а = I0cosφ0 зависит от потерь холостого хода . Практически I0  Ic. Активная составляющая Icа, как указывалось, определяется потерями .

На рис. 3-53 показан вектор . Точка А0 лежит выше точки Ас на отрезок, приблизительно равный в масштабе мощности потерям на трение Pмех и добавочным потерям в зубцах статора и ротора Pс.д:

.

С некоторым приближением можно принять, что точка Ас делит отрезок  пополам.

Ток холостого хода I0 асинхронных двигателей определяется главным образом его реактивной составляющей I0р (I0  I0р). Можно считать, что реактивная составляющая I0р идет на создание только основного поля машины, так как поля рассеяния при холостом ходе незначительны. Она может быть определена из расчета магнитной цепи машины. Так как в магнитную цепь входит воздушный зазор между статором и ротором, на который обычно затрачивается наибольшая часть н. с. всей цепи, то I0р имеет относительно большое значение, превышающее в несколько раз I0р трансформаторов. Обычно для нормальных асинхронных двигателей при U1 = U1н ток I0 = (0,25  0,40)I1н. Он тем больше, чем больше полюсов имеет машина и чем меньше ее мощность.

У тихоходных двигателей (при 2p > 10) и специальных двигателей, работающих с повышенным насыщением, ток холостого хода часто получается больше 0,4I1н; cos φ0 = 0,15  0,05 (тем больше, чем меньше мощность машины и ее число полюсов).

При опыте короткого замыкания машина должна быть неподвижной при замкнутой накоротко обмотке ротора. Напряжение U1к на зажимах статора устанавливаем таким образом, чтобы ток  при этом измеряем U1к,  и P1к и затем определяем:

; ;

(здесь приближенно принято с1 = 1).

Для короткозамкнутых двигателей с глубиной роторного паза свыше 2  2,5 см, при двойной клетке на роторе и для двигателей с контактными кольцами, имеющих на роторе двухслойную стержневую обмотку при глубине роторных пазов свыше 3 см, опыт короткого замыкания следует проводить при пониженной частоте питающего тока (f1 = 5  8 Гц). При этом можно с некоторым приближением считать, что вытеснения тока в проводниках обмотки ротора (§ 3-19,в) не будет и что его параметры и r2 соответствуют тем же параметрам при изменении s от -sк до +sк приблизительно в пределах (0,05  0,16).

По данным измерений определяем:

; ;

и затем

; ; ; cos

(здесь также принято с1 = 1).

Для нормальных двигателей  .

По найденным значениям I0, cosφ0, I1к и cosφк можно построить упрощенную круговую диаграмму. При этом будем считать γ1 = 0.

Проведем часть окружности радиусом 100 мм (рис. 3-55), которая позволит находить cosφ1. Далее выберем масштаб тока СI (A/мм) (его рекомендуется выбирать таким образом, чтобы I1к/СI  = 200  250 мм).

Рис. 3-55. Построение круговой диаграммы асинхронной машины.

Отложив на оси ординат в миллиметрах 100cosφ0 и 100cosφ1к и проведя через полученные точки параллели к оси абсцисс до пересечения с окружностью cosφ1, найдем направления токов I0 и I1к. Отрезки, соответствующие. этим токам,  и .

Разделим отрезок  пополам и проведем линию AсD параллельно оси абсцисс. Так как  – хорда окружности, центр которой лежит на линии AсD, то последний легко находится: он лежит в точке пересечения перпендикуляра к отрезку , проведенного из середины этого отрезка, и линии AcD. Найдя центр окружности 0к радиусом , проводим эту окружность, которая и представляет собой искомую круговую диаграмму асинхронной машины.

Проведем из точки Ак перпендикуляр к диаметру . Разделим получившийся отрезок  таким образом, чтобы  (сопротивление обмотки статора r1 должно быть измерено, например, методом амперметра и вольтметра при постоянном токе). Линия, проведенная через точки Aс и Pэм.к, есть линия электромагнитных моментов М или линия электромагнитных мощностей Pэм.

Линия АсАк есть линия механических мощностей ротора . Приближенно можно считать, что линия А0Ак представляет собой линию механических мощностей Р2 на валу машины.

Для более удобного определения скольжения воспользуемся следующим вспомогательным построением.

Возьмем на нижней полуокружности любую точку Тс и соединим ее прямой линией с точкой Ас. Через точки Тс и A∞ проведем прямую линию и на ней отложим отрезок , который удобно разделить на 100 частей (например,  = 100 мм). Проведем линию ТcАк и затем – параллель TSк к линии TcAc до пересечений с линией ТcАк. Линия SкS0, проведенная параллельно ТТc, может служить шкалой скольжения. Отрезок  соответствует скольжению, равному 1, или 100%. Если теперь провести линию A1Tc, то полученный при этом на шкале скольжения отрезок  (в долях от ) определит скольжение при токе статора I1 =, что доказывается следующим образом:

 ~ ;

 ~ ,

так как

; ; ,

как углы, опирающиеся на общие дуги, а

; ;

как накрест лежащие углы; из подобия треугольников имеем:

; ;

перемножая эти равенства и учитывая (3-186), получаем:

.

Можно получить более крупный масштаб для определения s. Для этого надо провести линию, параллельную линии S0Sк, на расстоянии, в а раз большем . Тогда s будет определяться отрезкам .

Таким образом, из диаграммы можно получить вcе основные величины, характеризующие работу машины:

; ; ; ;

; ; .

Определение к.п.д. η по диаграмме недостаточно точно. Его можно определить точнее путем расчета, взяв из круговой диаграммы I1, cosφ1, . В этом случае рассчитываем мощность Pl = m1U1I1cosφ и потери в двигателе:

,

где ; ; r175 и  – сопротивления обмоток статора и ротора, приведенные к температуре 75° (§ 2-7); Рдоб = 0.005P1. После этого определяем к.п.д.:

.

Круговая диаграмма позволяет, как указывалось, определить максимальный вращающий момент Мм и его кратность .

При токах в обмотках статора и ротора, соответствующих моменту Мн начинает сказываться насыщение зубцов от полей пазового и дифференциального рассеяния, что приводит к уменьшению x1, и и, следовательно, к увеличению Mм. Действительное значение Мм, как показывают опыты для нормальных машин, больше найденного из круговой диаграммы примерно в 1,1  1,15 раза.

Определение пусковых характеристик (§ 3-19) по круговой диаграмме не может быть точным, так как при больших токах и скольжениях параметры машины перестают быть постоянными и диаграмма тока перестает быть круговой. Она может быть использована только для построения рабочих характеристик и приближенно для определения Мм.

По круговой диаграмме могут быть также найдены основные величины, характеризующие работу генератора. Для этого режима работы имеем:

; ; ; ;

; ; .

Схемы замещения Теория асинхронной машины основана на ее аналогии с трансформатором Необходимые величины и зависимости, характеризующие работу вращающейся машины, можно получить, заменив ее неподвижной машиной, работающей как трансформатор.

Параметры асинхронной машины Параметры рассмотренных схем замещения являются в то же время параметрами асинхронной машины. Они могут быть определены расчетным или опытным путем.

Круговая диаграмма асинхронной машины представляет собой геометрическое место концов вектора тока , изменяющегося при изменении скольжения s в пределах от + ∞ до -∞, если при этом напряжение на зажимах статора машины и все ее параметры сохраняют постоянные значения. Ее называют также диаграммой тока. Она дает наглядное представление о важных зависимостях между величинами, характеризующими работу асинхронной машины.

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей