Какие показатели определяют пусковые свойства асинхронных двигателей

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №9

«Расчет пусковых и регулировочных характеристик асинхронных двигателей»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: рассчитать сопротивление резисторов, подключенных к асинхронному двигателю, потребляемую им мощность и ток при номинальной нагрузке, вращающие моменты двигателя.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Пусковые свойства двигателей с фазным ротором. Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора и механически связанных с ним частей исполнительного механизма из состояния покоя в состояние равномерного вращения, когда вращающий момент двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь значением пускового тока Iп или его кратностью Iп/ Iном и значением пускового момента Мп или его кратностью Мп/Мном. Двигатель, обладающий хорошими пусковыми свойствами, развивает значительный пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе. Однако получение такого сочетания пусковых параметров в асинхронном двигателе сопряжено с определенными трудностями, а иногда оказывается невозможным.

Улучшить пусковые свойства двигателя можно увеличением активного сопротивления цепи ротора r2′, так как в этом случае уменьшение пускового тока сопровождается увеличением пускового момента. В то же время напряжение U1 по-разному влияет на пусковые параметры двигателя: с уменьшением U1 пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства двигателя, но одновременно уменьшается пусковой момент. Целесообразность применения того или иного способа улучшения пусковых свойств двигателя определяется конкретными условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые предъявляются к его пусковым свойствам.

Помимо пусковых значений тока Iп и момента Мп пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями: продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой операции, ее экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры и потерь энергии в ней). Пуск двигателей с фазным ротором. Наличие контактных колец у двигателей с фазным ротором позволяет подключить к обмотке ротора пусковой реостат (ПР). При этом активное сопротивление цепи ротора увеличивается до значения R2 = r2′ + rд’, где rд’ — электрическое сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора. Если при отсутствии ПР, т. е. при активном сопротивлении цепи ротора R2 = r2, пусковой момент Мп = Мпо, то при введении в цепь ротора добавочного активного сопротивления rдоб , когда R/2 = r2′ + rдоб’ , пусковой момент возрастает и при R//2 = r2′ + rдоб’ = х1 + х’2 достигает наибольшего значения Мп.наиб. При R/2 > х1 + х’2 пусковой момент уменьшается.

При выборе сопротивления пускового реостата rдоб исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при значительном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пускового реостата rдо6 выбирают таким, чтобы обеспечить наибольший пусковой момент; если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным сопротивление ПР rдоб 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.

На рис. 9.1, 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.

Рис. 9.1. Схема включения пускового реостата.

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 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.

Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором при повышенном напряжении. Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный недостаток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке статора возникает большой пусковой ток, в 5—7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При небольшой инерционности исполнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстро спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Но такой значительный бросок тока в питающей сети может вызвать в ней заметное падение напряжения. Однако этот способ пуска благодаря своей простоте получил наибольшее применение для двигателей мощностью до 38—50 кВт и более (при достаточном сечении жил токоподводящего кабеля). При необходимости уменьшения пускового тока двигателя применяют какой-либо из способов пуска короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении.

Пуск при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напряжению U1, уменьшение которого вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения. Рассмотрим некоторые из них.

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник. В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в раз. Следовательно, переключив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения линейного тока в ()2 = 3 раза.

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, переключатель быстро переводят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя оказываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока до значения I/пΔ является незначительным.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток — уменьшение фазного напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза, так как, согласно (13.19), пусковой момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения U1. Такое значительное уменьшение пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

Описанный способ понижения напряжения при пуске применим лишь для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником. Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей).

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в U/1/ U1ном раз сопровождается уменьшением пускового момента Мп в (U/1/ U1ном)2 раз.

Как и предыдущие способы пуска при пониженном напряжении, автотрансформаторный способ пуска сопровождается уменьшением пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения уменьшения пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, так как при реакторном пуске пусковой ток в питающей сети уменьшается в U/1/ U1ном раз, а при автотрансформаторном — в (U/1/ U1ном)2 раз. Но некоторая сложность пусковой операции и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (понижающий автотрансформатор и переключающая аппаратура) несколько ограничивают применение этого способа пуска асинхронных двигателей.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Решить задачу №1. Для асинхронного двигателя с фазным ротором, данные которого приведены в табл. 9.1, номинальная мощность Pном, номинальное скольжение Sном, перегрузочная способность λм, число полюсов 2р. Требуется рассчитать сопротивления резисторов трехступенчатого пускового реостата ПР (рис. 9.2).

Таблица 9.1.

Параметр

Варианты

1

2

3

4

5

6

Pном , кВт

15

75

22

5,5

14

7,5

2p

8

4

8

8

4

6

Sном, %

5

3,3

4

5,3

5

5

r2, Ом

0,37

0,014

0,053

0,150

0,095

0,130

λ=Mmax/Mном

3,0

2,0

2,0

1,7

1,7

1,7

Рис. 9.2. Трехступенчатый пусковой реостат

Решение:

• определить синхронную частоту вращения : n1=f160/p;

• определить номинальную частоту вращения: nном=n1 (1-sном);

• определить номинальный момент двигателя: Мном = 9,55Рном/пном , Н•м;

• принять значение момента переключений, равным номинальному: М2 = 1,0Мном;

• принять отношение начального пускового момента к моменту переключений: λ = M1/M2;

• определить начальный пусковой моментM1;

• определить сопротивление резистора третьей ступени ПР: ;

• определить сопротивление резистора второй ступени ПР: ;

• определить сопротивление резистора первой ступени: ;

• определить сопротивление ПР на первой ступени: ;

• определить сопротивление ПР на второй ступени ;

• определить сопротивление ПР на третьей ступени .

2. Решить задачу №2. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором работает с нагрузкой на валу М2 = 0,75Мном. Определить величину сопротивления резистора rдо6, который следует включить в каждую фазную обмотку ротора, чтобы частота вращения при указанной нагрузке составляла n2 = 0,5n1. Необходимые данные двигателя приведены в табл. 9.2: номинальная мощность Рном, напряжение статора фазное U1ф, число полюсов 2р, скольжение при номинальной нагрузке sном, сопротивление обмотки ротора при рабочей температуре r2.

Таблица 9.2.

Параметр

Варианты

1

2

3

4

5

6

Pном , кВт

10

75

22

5,5

14

7,5

U1ф, В

220

220

220

220

220

220

2р

4

4

8

8

4

6

Sном, %

5

3,3

4

5,3

5

5

r2, ОМ

0,115

0,014

0,053

0,150

0,095

0,130

Решение:

• определить номинальную частоту вращения: nном;

• определить момент на валу двигателя при номинальной нагрузке (номинальный момент двигателя):

• считая рабочий участок естественной механической характеристики двигателя прямолинейным, получить соотношение моментов нагрузки и соответствующих скольжений М2/Мном=s0,75/ sном, из которого определить скольжение s0,75 при нагрузке на валу двигателя М2 = 0,75Мном;

• определить скольжение S при частоте вращения n2=0,5 nном;

• используя принцип пропорциональности между скольжением и активным сопротивлением в цепи ротора, определить сопротивление добавочного резистора rдо6, который необходимо включить в каждую фазную обмотку ротора, чтобы получить частоту вращения 0,5nном: .

3. Решить задачу №3. Трехфазный асинхронный двигатель серии 4А, включенный в сеть с линейным напряжением U1л = 380 В при соединении обмотки статора «треугольником», имеет номинальные данные: мощность Рном, частоту вращения nном, КПД ηном, коэффициент мощности cos φ1ном, кратности пускового тока λi пускового момента λп, максимального момента λм (табл. 9.3).

Требуется определить:

1. вращающие моменты двигателя — номинальный, пусковой, максимальный;

2. потребляемые мощность и ток статора при номинальной нагрузке;

3. пусковые ток статора и момент, а также перегрузочную способность двигателя при соединении обмотки статора «звездой» при прежнем напряжении питающей сети;

4. при каком фазном напряжении статора двигатель утрачивает перегрузочную способность, т.е. λ’м = 1.

Таблица 9.3.

Тип двигателя

Рном, кВт

nном, об/мин

ηном ,%

cos φ1ном

λi

λn

ΛM

4AII160S4

18,5

1450

88,5

0,87

6,5

1,3

2Д

4АН200М4

45

1475

91

0,89

6,5

1,3

2,5

4АН280М4

160

1470

93,5

0,90

6,0

1,2

2,0

4АН200М6

30

975

90

0,88

6,0

1,3

2Д

4АН280М6

110

980

92,5

0,89

6,0

1,2

2,0

4АН280М8

90

735

92,5

0,86

5,5

1,2

1,9

Решение:

• определить номинальный момент;

• определить пусковой момент: ;

• определить максимальный момент;

• определить потребляемую двигателем мощность в номинальном режиме;

• определить номинальные токи в цепи обмотки статора: фазный ток ; линейный ток .

• определить пусковой (линейный) ток в питающей сети: .

• определить номинальный и пусковой токи при соединении обмотки статора «звездой», для это рассчитать значения, на которые уменьшается фазное напряжение, фазный и линейный токи: , , .

• определить номинальный и пусковой моменты двигателя при соединении обмотки статора «звездой»: , , .

• определить перегрузочную способность двигателя: ;

• определить напряжение (фазное) U1ф, при котором двигатель утрачивает перегрузочную способность: .

4. Оформить отчет по практической работе.

5. Ответить на контрольные вопросы.

6. Сделать вывод о проделанной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Чем сопровождается пуск асинхронного двигателя с фазным ротором (АД с ФР)?

2. Чем определяются пусковые свойства АД с ФР?

3. Как улучшить пусковые свойства АД с ФР?

4. От чего и как зависит выбор величины сопротивления пусковых реостатов, подключаемых к АД с ФР?

5. Из чего состоят пусковые реостаты?

6. В чем недостаток пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД с КР) при повышенном напряжении?

7. В чем недостаток пуска АД с КР при пониженном напряжении?

6