3490

10 при его пуске, так и в процессе работы. Векторная диаграмма и эк-

вивалентная схема асинхронного двигателя облегчают изучение его работы и используются при выводе основных уравнений. Эксплуатационные параметры асинхронного двигателя демонстрируются механическими и рабочими характеристиками.

После изучения данного раздела студент должен:

1)знать значения терминов: скольжение, синхронная скорость, круговое вращающееся магнитное поле, короткозамкнутый ротор, фазный ротор, поток полюса, глубокопазный ротор, двойная šбеличьяŸ клетка; способы изменения направления вращения магнитного поля; устройство и области применения двух типов трехфазных асинхронных двигателей; условные обозначения асинхронных двигателей на схемах; вид механических характеристик; способы регулирования скорости;

2)понимать принцип возбуждения многополюсного вращающегося магнитного поля; принцип действия трехфазной асинхронной машины в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза; факторы, влияющие на скорость вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя; возможность замены трехфазного асинхронного двигателя с вращающимся ротором эквивалентным двигателем с неподвижным ротором; аналогию физических явлений в трехфазном асинхронном двигателе с неподвижным ротором,

ив трансформаторе с активной нагрузкой; энергетические преобразования в трехфазном асинхронном двигателе;

3)уметь осуществлять пуск асинхронного, двигателя; оценивать величины номинального, пускового и максимального моментов, пускового тока и номинального скольжения по данным каталога.

Приступая к изучению этой темы, необходимо понять условия возбуждения вращающегося магнитного поля.

Механические характеристики M f (S ) и n2 f (M ) могут быть построены по расчетной формуле вращающего момента:

						3U1ф2						r
M												2	,
					r2
							2			2		S
	1		(r1		)			( X1
									X 2 )
					S

где М – вращающий момент двигателя, Н м; U1ф – фазное напряжение статорной обмотки; S – скольжение; r1, X1 – значения сопро-

11

тивлений статорной обмотки; r2 , X 2 – приведенные эквивалентные сопротивления роторной обмотки; f1 – частота сети; P – число пар

полюсов; 2 f1 – угловая скорость вращения магнитного по-

1

P

ля статора.

По зависимости M = f (S) может быть построена характери-

стика n2 f (M ).

Механическую характеристику можно построить по данным каталога. Известна упрощенная формула Клосса для построения механической характеристики:

M	2M кр			,	(1)
	Sкр		S
	S		Sкр

где M кр – критический (максимальный) вращающий момент двигателя; Sкр – скольжение, соответствующее максимальному моменту.

Зная отношение максимального момента к номинальному

		M кр		P
Kм			и определив M ном 9550	ном	,
		M ном
где Pном				n2ном
	– номинальная мощность двигателя (из паспортных дан-

ных), кВт; n2ном – номинальная скорость вращения ротора, об/мин,

вычисляем критическое скольжение по формуле

Sкр Sном (Kм Км2 1).

Зная M кр и Sкр , задавая значения скольжения от 0 до 1 и определяя для каждого значения скольжения М и n2 , строим механические характеристики M f (S ) и n2 f (M ) , изображенные на

рис. 2. Скорость вращения ротора n2 определяем по формуле
n2 n1 (1 S).	(2)

6,5, а перегрузочная способность двигателя

12

Рис. 2

Задача 2

Номинальная мощность трехфазного асинхронного, двигателя с короткозамкнутым ротором Pном = 10 кВт, номинальное напряжение U ном 380 В, номинальная скорость вращения ротора nном 1420 об/мин, номинальный КПД ном 0,84 и номинальный коэффициент мощности cos н 0,85. Кратность пускового тока

Iпуск

Км 1,8.

Iном

Определить: потребляемую мощность; номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты; пусковой ток; номинальное и критическое скольжения. Построить механические характеристики М = f (S) и n2 f (M ).

Решение.

Потребляемая мощность:

P

Pном

10

11,9 кВт.

1

ном

0,84

Номинальный и максимальный моменты:

М ном 9550

10

67,3

Н м;

1420

М мах Км М ном 1,8 67,3 121 Н м.

Номинальный и пусковой токи:

I ном

P1

11,9

21,2 А;

3 U ном cos ном

1,73 380 0,84

I пуск 6,5 21,2 138 А.

Номинальное и критическое скольжения:

13

Sном n1 nном 1500 1420 0,053; n1 1500

Sкр Sном (Км Км2 1) 0,053 (1,8 1,82 1) 0,175. Механическая характеристика М = f (S) строится по уравне-

нию (1):

М =		2 121
						.
		0,175		S

S0,175

Задавая значения скольжения S от 0 до 1, рассчитываем момент М и скорость n2 по формуле (2), строим механические характеристики (рис. 2).

Вопросы для самопроверки

1.Объясните принцип работы асинхронного двигателя.

2.Поясните, как образуется вращающееся магнитное поле.

3.Объясните, в чем заключается аналогия между асинхронным двигателем и трансформатором.

4.Объясните, от каких величин зависит вращающий момент асинхронного двигателя.

5.Определите, какая часть механической характеристики соответствует устойчивой работе двигателя и какая неустойчивой.

6.Перечислите возможные способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

7.Поясните, почему при увеличении нагрузки на валу асинхронного двигателя возрастают токи статора и ротора.

8.Поясните, почему в период пуска токи статорной обмотки максимальны. Чему при этом равно скольжение и частота токов статора и ротора?

9.Почему пусковые свойства двигателя с контактными кольцами лучше, чем у двигателя с короткозамкнутым ротором?

10.Поясните, как улучшают пусковые свойства двигателя с короткозамкнутым ротором.

14

Электрические машины постоянного тока

Изучение машин постоянного тока надо начинать с их принципа работы и устройства. Учитывая, что машина постоянного тока обратима, т. е. может работать в режимах генератора и двигателя, изучение таких вопросов, как способы возбуждения, электромагнитный момент, ЭДС и ряд других, необходимо рассматривать в сопоставления для обоих режимов. Очень важно правильно понимать связь между напряжением на зажимах машины U, ее ЭДС Е и падением напряжения Iа Rа в обмотке якоря для генераторного и двигательного режимов: для генератора Eа U а Iа Rа ; для дви-

гателя Eа U а Iа Rа .

Изучая работу машины постоянного тока в режиме двигателя, надо обратить особое внимание на пуск, регулирование скорости вращения и вращающий момент двигателя, а в режиме генератора – на самовозбуждение. Характеристики генераторов и двигателей дают наглядное представление об эксплуатационных свойствах электрических машин.

После изучения данного раздела студент должен:

1)знать основные конструктивные элементы машин постоянного тока: статор, обмотку возбуждения, якорь, обмотку якоря; термины: щеточно-коллекторный узел; геометрическая и физическая нейтрали, реакция якоря, коммутация, противо-ЭДС; классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения; внешние характеристики генераторов достоянного тока всех способов возбуждения; механические характеристики двигателей постоянного тока всех способов возбуждения; способы пуска двигателей постоянного тока: способы регулирования скорости вращения якоря двигателей постоянного тока;

2)понимать, назначение основных конструктивных элементов машин постоянного тока; принцип действия генератора и двигателя постоянного тока; уравнения электрического состояния генератора

идвигателя постоянного тока; назначение пусковых и регулировочных сопротивлений; энергетические диаграммы генератора и двигателя постоянного тока;

3)уметь включать в сеть, регулировать скорость и реверсировать двигатель постоянного тока; отличать по внешнему виду машину постоянного тока от других типов электрических машин; ориентироваться в паспортных данных машин и определять номи-

15 нальный момент; выбирать, двигатель применительно к заданным техническим условиям.

Задача 3

Двигатель параллельного возбуждения, присоединенный к сети с напряжением U ном = 220 В, потребляет при номинальной нагрузке ток Iном = 20,5 А, при холостом ходе – I 0 = 2,35 А. Сопро-

тивление обмотки	якоря Rа = 0,75 Ом, а в	цепи возбуждения
Rв = 258 Ом.	Номинальная скорость	вращения якоря

nном = 1025 об/мин.

Определить: номинальную мощность двигателя (на валу), номинальный КПД, номинальный вращающий момент, пусковой ток при пуске двигателя без пускового реостата, сопротивление пускового реостата для условия I пуск = 2,5 Iном и пусковой момент при пуске двигателя с реостатом. Построить естественную механическую характеристику двигателя. При решении принять, что магнитные и механические потери не зависят от нагрузки.

Решение. Номинальная мощность на валу двигателя

	Рном Р1 Р ,
где	Р		– потери в двигателе;						Р1 – потребляемая мощность;
Р1 U ном I ном = 220 20,5 = 4510 Вт = 4,51 кВт.
	Для определения потерь в цепи якоря и цепи возбуждения на-
до знать ток в цепи якоря I а.ном и ток в цепи возбуждения
	I в		U ном				220
								0,85 А;
				Rв
							258
	I а.ном Iном Iв = 20,5 - 0,85 = 19,65 А.
	Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения:
	Ра.ном Rа Iа2.ном 0,75 19,652 290 Вт;
	Р	в	R		I 2		258 0,852 186 Вт.
				в		в
	Магнитные и механические потери:
	Рмех Рм						Р0 Ра 0 Рв ,
где	Р0 U ном I0						220 2,35 517		Вт; Ра0	– потери в обмотке
якоря при холостом ходе двигателя:
	Ра0 Rа (I0 Iв )2 0,75 (2,35 0,85)2									1,7 Вт;
	Рмех Рм 517 1,7 186 329,3 Вт;

Iа.ном

16

Р 290 186 329,3 805,3 Вт.

Рном 4510 805,3 3704,7 Вт = 3,71 кВт.

Номинальный КПД

Рном

3,71

ном

100

100 82,2%.

Р1

4,5

Номинальный вращающий момент

М ном 9550

Рном

9550

3,71

36,6 Н м.

nном

1025

Пусковой ток двигателя при пуске без реостата

U ном

220

Iпуск

293 А.

Rа

0,75

Сопротивление пускового реостата определяется из равенства

I пуск.р 2,5 Iа.ном

U ном

,

Rа Rр

откуда

U ном

220

Rр

Ra

0,75 3,73 Ом.

2,5 I а.ном

2,5 19,65

Определяем пусковой момент двигателя при пуске с реоста-

том. Известно, что вращающий момент двигателя определяется уравнением

М вр См Ф Iа

Для режима номинальной нагрузки это выражение принимает

вид

Мном См Ф Iа.ном ,

адля пускового режима

Мпуск См Ф I пуск .

Полагая магнитный поток в двигателе постоянным, возьмем отношение моментов:

Мном Iа.ном ,

Мпуск Iпуск

откуда

М пуск М ном I а.пуск 34,6 2,5 19,65 86,5 Н м. 19,65

Естественная механическая характеристика n = f(М) (прямая линия) строится по двум точкам.

17 Первая точка в режиме холостого хода при М = 0 скорость

вращения

n0		U ном		U ном		220	1100 об/мин,
		Се Ф		Еном nном
						205 1025

где противо-ЭДС

Еном U а.ном Rа Iа.ном 220 0,75 19,65 205 В.

Вторая точка механической характеристики берется из условия задачи.

Вопросы для самопроверки

1.Объясните устройство машины постоянного тока.

2.Объясните принцип работы машины постоянного тока в качестве генератора и двигателя.

3.Объясните назначение и устройство щеточноколлекторного узла.

4.Назовите, от каких величин зависит ЭДС обмотки якоря.

5.Объясните, от каких величин зависит вращающий момент двигателя постоянного тока.

6.Сформулируйте условия самовозбуждения генератора постоянного тока.

7.Напишите уравнения электрического состояния для генератора и двигателя.

8.Объясните, генератор какого типа возбуждения можно использовать в качестве генератора для автомобиля.

9.Объясните, как повлияет на скорость вращения, величина противо-ЭДС и тока якоря двигателя независимого возбуждения при уменьшении тормозного момента на валу.

10.Назовите способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока и укажите их достоинства и недостатки.

11.Назовите способ возбуждения двигателей постоянного тока, применяемых в качестве тяговых на транспорте и в частности на большегрузных автомобилях.

М пуск

18

Лабораторные работы

1.Испытание однофазного трансформатора (1 час).

2.Испытание асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (2 часа).

3.Испытание двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (1 час).

Контрольная работа 1

Задача

Для трехфазного трансформатора, параметры которого приведены в приложении 1, определить коэффициент мощности холостого хода cos 0 , сопротивления первичной и вторичной обмоток

r1, X1, r2 и	X 2 , расчетные сопротивления Z0 , r0	и	X 0 , угол маг-
нитного запаздывания δ. Построить внешнюю		характеристику
U 2 f ( )	и зависимость КПД от нагрузки	η	= f(β) для

cos 2 0,75. Изобразить Т-образную схему замещения.

Контрольная работа 2

Задача 2.1

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, номинальная мощность которого Рном , включен в сеть на номинальное напряжение U ном частотой f = 50 Гц. Скольжение Sном , КПД, ном , коэффициент мощности cos , число пар полюсов P, коэффициент перегрузочной способности Kм , кратность моментов при пуске / М ном , кратность пускового тока

I пуск / I ном .

Определить: номинальный Iном и пусковой I пуск токи, номинальный М ном , пусковой М пуск и максимальный M max моменты, суммарные потери в двигателе при номинальной нагрузке Рном . Определить, как изменится пусковой момент двигателя при снижении напряжения сети на 15 % и возможен ли его пуск при этих условиях при номинальной нагрузке. Построить механические ха-

19 рактеристики двигателя. Данные для расчета приведены в приложении 2.

Задача 2.2

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения, номинальное напряжение которого U ном , развивает номинальную мощность Рном . Номинальная скорость вращения nном и номинальный КПД ном . Потери мощности в цепи якоря Ра и в цепи возбуждения Рв заданы в процентах от потребляемой мощности Р1 . Данные для расчета в приложении 3.

Определить: ток двигателя при номинальной нагрузке I а.ном ,

ток в цепи возбуждения при номинальной нагрузке I в.ном , вращающий момент при пуске двигателя с пусковым реостатом Rп Rа.ном , скорость вращения якоря при номинальном моменте на валу и включении в цепь якоря добавочного сопротивления, равного 3Rа.ном . Построить естественную и реостатную механические характеристики двигателя.