"Презентация по курсу электротехника на тему "Рабочий процесс асинхронной машины"

Слайд #1

Электротехника и электроника
Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Амурский политехнический техникум»
Преподаватель М.А.Скворцова

Амурск, 2024 г

Слайд #2

Тема урока
1.8.2 Рабочий процесс асинхронной машины

Слайд #3

План занятия

1. Режимы работы (двигательный, генераторный
тормозной режим)
2. Уравнения напряжений, МДС и токов АД
3. Потери АД
4. Коэффициент полезного действия (КПД) АД
5. Электромагнитный момент
6. Механические характеристики АД

Слайд #4

1. Режимы работы
В зависимости от значения скольжения s трехфазная асинхронная машина работает в режиме
1) двигателя,
2) генератора или
3) электромагнитного тормоза (торможения противовключением).
Под действием вращающего момента ротор АД
начинает вращаться с частотой
n2 < n1
Если вал АД механически соединить с валом
исполнительного механизма ИМ (станка, крана
и т.д.), то вращающий момент двигателя М,
преодолев противодействующий (нагрузочный)
момент Мнагр, приведет механизм во вращение.

Слайд #5

1. Двигательный режим
для асинхронной машины является основным.
Но возможны и другие режимы работы асинхронной
машины - генераторный и тормозной.

Очень важным параметром асинхронной машины
является скольжение - величина, характеризующая разность
частот вращения ротора n2 и вращающегося поля статора n1

s = (n1 – n2)/n1

Режимы работы

Слайд #6

это режим, когда электрическая мощность Р1, поступающая из сети, преобразуется а механическую Р2 и передается исполнительному механизму ИМ – (рисунок 1, б).
Скольжение s зависит от механической нагрузки и может изменяться в пределах
0 < s < 1 – рисунок 1.
При включении АД, когда ротор неподвижен
n2 = 0 s = 1
Рисунок 1- Режимы работы асинхронной машины
Режимы работы
1. Двигательный режим

Слайд #7

2.Генераторный режим
Если ротор асинхронной машины, включенный в сеть, вращать при помощи первичного двигателя (ПД) в направлении вращающегося поля статора, но с частотой вращения
n2 > n1 ,
то движение ротора относительно поля статора изменится (по сравнению с двигательным режимом этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора.

Рисунок 1 Режимы работы асинхронной машины
Режимы работы

Слайд #8

При этом скольжение s станет отрицательным, ЭДС - E, наведенная в обмотке ротора изменит свое направление.
Электромагнитный момент М также изменит направление, т.е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим (по отношению к вращающему моменту первичного двигателя М1) – рисунок 1, а.
Рисунок 1 Режимы работы асинхронной машины
Режимы работы
2.Генераторный режим

Слайд #9

В этих условиях асинхронная машина будет работать в генераторном режиме, преобразуя механическую энергию первичного двигателя P1 в электрическую активную мощность Р2.
Особенность асинхронного генератора (АГ) состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р2.
При генераторном режиме асинхронной машины скольжение может изменяться в диапазоне
- < s < 0
т.е. оно может принимать любые отрицательные значения.
2.Генераторный режим
Режимы работы

Слайд #10

3.Тормозной режим
(режим торможения противовключением)
Этот режим работы асинхронной машины наблюдается в том случае, если вращающееся поле машины и ее ротор вращаются в разные стороны.
Например, этот режим можно наблюдать, когда асинхронный двигатель вращает барабан, на который наматывается трос, поднимающий груз.
Если постепенно увеличивать вес груза, то создаваемый им противодействующий момент сначала остановит ротор двигателя
s = 1,
а затем начнет вращать его в противоположную сторону, при этом электромагнитный момент двигателя, оставаясь прежним по направлению, окажется тормозящим, а скольжение будет возрастать, приобретая значения больше единицы
s > 1.
Режимы работы

Слайд #11

Если у работающего АД поменять местами любые две фазы питающего напряжения, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное.
Ротор под действием сил инерции будет продолжать вращаться в прежнем направлении, т.е. ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в разные стороны.
В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие – рисунок 1, в.
Рисунок 1 Режимы работы асинхронной машины

Режимы работы
3.Тормозной режим
(режим торможения противовключением)

Слайд #12

Этот режим работы называется электромагнитным торможением противовключением.
В режиме торможения противовключением частота вращения ротора n2 является отрицательной, поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы
s = [n1 – (-n2)]/n1 = (n1 + n2)/n1 > 1
Скольжение в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне
1 < s < +
т.е. принимать любые положительные значения больше 1.
Практически тормозной режим применяют при необходимости быстрой остановки ротора АД.
Режимы работы
3.Тормозной режим
(режим торможения противовключением)

Слайд #13

2. Уравнения напряжений, МДС и токов
Как следует из принципа действия АД, обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора, между ними существует только магнитная связь, и энергия из обмотки статора передается в обмотку ротора магнитным полем.
В этом отношении асинхронная машина аналогична трансформатору: обмотка статора является первичной, а обмотка ротора – вторичной.

Слайд #14

1) Электродвижущие силы, наводимые в обмотке статора.
E1 = 4,44 kоб1 f1 w1Фм
где w1 - число витков обмотки статора;
kоб1- обмоточный коэффициент обмотки статора.

2) Электродвижущие силы, наводимые в обмотке ротора
ЭДС неподвижного ротора:
E2 = 4,44 kоб2 f1 w2Фм
В неподвижном роторе частота ЭДС—f1 т. е. такая же, как у ЭДС обмотки статора. Во вращающемся роторе частота ЭДС равна
f2 = f1s
ЭДС вращающегося ротора:
E2S = 4,44 kоб2 f2 w2Фм
или
Е2 = 4,44 kоб2 w2 s f1 Фм
учитывая, что f2 =sf1
2. Уравнения напряжений, МДС и токов

Слайд #15

3) Уравнения МДС
МДС обмоток статора и ротора на один полюс в режиме нагруженного двигателя определяют по формулам
F1 = 0,45m1I1w1kоб1/p
F2 = 0,45m2 I2 w2kоб2 /p
Где: m1, m2 соответственно число фаз в обмотке статора и ротора;
kоб2 - обмоточный коэффициент обмотки ротора.
4) Уравнение токов АД
При изменениях нагрузки на валу двигателя изменяются токи I1, I2, но основной магнитный поток Ф при этом сохраняется неизменным
I1 = Io + (-I′2)
где I1 - ток статора; Io – намагничивающий ток;
I′2 – ток ротора, приведенный к обмотке статора.

2. Уравнения напряжений, МДС и токов

Слайд #16

3. Потери АД
Преобразование энергии в асинхронном двигателе, как и в
других электрических машинах, связано с потерями
энергии, поэтому
полезная мощность на выходе двигателя Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой) Р1 на величину потерь ∑Р
Р2 = Р1 - ∑Р,
Потери ∑Р преобразуются в теплоту, что ведет к нагреву машины.
Потери разделяются на:
- основные (магнитные, электрические и механические)
- добавочные.

Слайд #17

1) Магнитные потери в АД вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи в сердечнике при его перемагничивании.
Величина магнитных потерь зависит от частоты перемагничивания.
Частота перемагничивания ротора f = f2 = 2…4 Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практических расчетах не учитывают.
3. Потери АД

Слайд #18

2) Электрические потери в АД вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами
в обмотке статора
Рэ1 = m1I21r1,
в обмотке ротора
Рэ2 = m2I22r2
где r1 и r2 – активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора

Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению
Рэ2 = sPэм,
где Pэм электромагнитная мощность АД
Pэм = Р1 – (Рм + Рэ1)
Из этого следует, что работа АД экономичнее при малых скольжениях.

3. Потери АД

Слайд #19

3) Механические потери Рмех –
это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию (Рмех ≡ n22)
4) Добавочные потери Рдоб - к ним относятся все виды трудноучитываемых потерь, вызванных влиянием высших гармоник МДС и др.
Рдоб = 0,005Р1 (0,5 % от Р1)

Сумма всех потерь АД
∑Р = Рм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рдоб,

3. Потери АД

Слайд #20

Энергетическая диаграмма АД (дерево потерь)

P1 = m1U1I1cosϕ1 – подводимая к двигателю мощность;
Рэ1 – электрические потери в обмотке статора;
Рм – магнитные потери;
Рэм – электромагнитная мощность, передаваемая на ротор;
Рэ2 – электрические потери в обмотке ротора;
Рмех – механические потери;
Рдоб – добавочные потери;
Р2 – полезная мощность двигателя










Рисунок 2 – Энергетическая диаграмма АД

Слайд #21

4. Коэффициент полезного действия (КПД) АД
У асинхронного двигателя
η = Р2/P1 = 1 - ∑Р/P1
КПД АД зависит от нагрузки:
- в режиме х.х. он равен нулю ηхх = 0,
- с ростом нагрузки он увеличивается, достигая максимума при нагрузке (0,7…0,8) Рном.
При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается,
а при перегрузке Р2 > Рном
он резко уменьшается, что объясняется ростом переменных потерь
(Рэ1 + Рэ2 + Рдоб).

Слайд #22

График зависимости КПД от нагрузки η = f(β) для АД

Асинхронные двигатели обладают высоким КПД.
Например, КПД двигателей серии 5А мощностью от 1,5 до 250 кВт составляет соответственно 0,8…0,96.
Благодаря отсутствию коллектора КПД асинхронных двигателей выше, чем у двигателей постоянного тока, но значительно ниже, чем у трансформаторов той же мощности, вследствие наличия механических потерь и большого значения намагничивающего тока.









Рисунок 2 – Зависимость КПД АД от нагрузки

Слайд #23

5. Электромагнитный момент АД
создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем
М = Рэм/ω1,
где ω1 - угловая синхронная скорость вращения

ω1= 2πn1/60 = 2πf1/p,

Электромагнитный момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения сети М ≡ U12.
Такая зависимость приводит к значительному уменьшению момента при уменьшении напряжения сети, что является недостатком АД.

Слайд #24

6. Механические характеристики АД
Механическая характеристика АД
М = f(s) представляет собой наличие двух экстремальных (критических) точек момента и скольжения где знак плюс соответствует двигательному, а знак минус генераторному режиму работу АД.
На рисунке 3 представлена механическая характеристика М(s) при U1 = const.
На этой характеристике указаны зоны:




Рисунок 3 – Зависимость режимов работы АД от скольжения

Слайд #25

двигательный режим
(0 < s < 1)
когда электромагнитный момент - вращающий;
генераторный режим
(-∞ < s < 0)
тормозной режим противовключением
(1 < s < +∞)
когда М является тормозящий.
Участок при
s < sкр
– участок устойчивой работы АД.











Рисунок 3 – Зависимость режимов работы АД от скольжения
6. Механические характеристики АД

Слайд #26

Участок при
s > sкр
– участок неустойчивой работы АД.
Для устойчивой работы необходимо, чтобы статический момент нагрузки, действующий на ротор, был меньше Мк (или Мmax) Мс < Мmax.
Для этого надо, чтобы двигатель обладал достаточной перегрузочной способностью
λ = Мmax/Mном,
Для АД общего назначения
λ =1,7…2,5












Рисунок 4 – Механическая характеристика АД


6. Механические характеристики АД

Слайд #27

Контрольные вопросы
1. Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины в
различных режимах ее работы?
2. В каком режиме скольжение принимает отрицательные значения?
3. Каким образом АД можно перевести в режим торможения
противовключением?
4. Почему полезная мощность двигателя меньше потребляемой
мощности из сети?
5. Какие виды потерь имеют место в АД?
6. Чем вызваны электрические потери в АД?
7. Как зависит КПД от нагрузки двигателя?
8. Почему нельзя допускать работу двигателя с малой нагрузкой?
9. Что такое перегрузочная способность двигателя?
10. Почему асинхронный двигатель очень чувствителен к
изменениям напряжения питания?

Слайд #28

Решение задач (самостоятельно)
Задача
Трехфазный асинхронный двигатель работает от сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц, при соединении обмоток статора «звездой». Статический нагрузочный момент на валу двигателя Мс, полезная мощность двигателя Рном, потребляемая из сети мощность Р1ном, КПД ηном, коэффициент мощности cos φ1, величина тока в фазной обмотке статора I1ном, число полюсов 2р, скольжение sном.
Некоторые из перечисленных параметров указаны в таблице 1.
Требуется определить значения недостающих параметров.

Слайд #29

Слайд #30

Решение варианта 0



1 Номинальная частота вращения
nном = n1(1 – sном) = 1000(1 – 0,04) = 960 об/мин

2 Полезная мощность двигателя
Рном = 0,105 Мс nном = 0,105∙180∙960 = 18144 Вт

3 Потребляемая двигателем мощность
Р1ном = Рном/ ηном = 18144/0,82 = 22126 Вт

4 Потребляемый двигателем ток статора
I1ном = Р1ном/(m1U1cos φ1) = 22126/(3∙220∙0,8)= 41,9 A

Слайд #31

СПАСИБО ЗА РАБОТУ!