Реферат на тему:
Особливості фізичних процесів та енергетичних перетворень у
компенсованому асинхронному двигуні
Такі недоліки асинхронного короткозамкненого двигуна, як великий
пусковий струм при малому пусковому моменті, великий струм холостого
ходу, відносно низький коефіцієнт потужності [1] й інші обумовлені тим,
що за принципом дії асинхронний двигун (АД) є споживачем двох видів
електричної енергії — активної, перетворюваної в механічну для приводу
виконавчого механізму та у теплові втрати і реактивної, що створює
змінне магнітне поле. Реактивна енергія не перетворюється в інші види,
при зміні струму відбувається обмін нею між джерелом живлення і
споживачем, що завантажує всі елементи електричної системи реактивним
струмом. Це призволить до непродуктивних втрат електроенергії як у
самому двигуні, так і в мережі та у джерелі живлення. Наявність
повітряного зазору між статором і ротором значно збільшує реактивну
потужність споживану асинхронним двигуном.
Спосіб компенсації реактивної потужності, заснований на включенні
електричних конденсаторів паралельно споживачу або групі споживачів,
зменшує реактивний струм у мережі живлення, але не впливає на сам
споживач, залишаючи незмінними його техніко-економічні характеристики.
Компенсований асинхронний двигун (КАД) являє собою поєднання звичайного
АД із поворотним автотрансформатором (АТ) у колі статора, включеним на
електричну ємність конденсаторів. Фактично КАД є споживачем із
внутрішньою ємнісною компенсацією реактивної потужності. При зміні
величини ємності С, кута просторового зсуву одна відносно одної двох
частин обмотки статора, співвідношення кількості їх та схеми включення
конденсаторів КАД стає керованим за величиною споживаної реактивної
потужності, може працювати з будь-яким коефіцієнтом потужності від його
природного значення до одиниці і навіть у ємнісному режимі. При значному
підвищенні пускового моменту (на 20-50%) він має знижене значення
пускового струму, його робочий струм за номінального навантаження є
меншим номінального на 10-12%, внаслідок чого втрати енергії в обмотках
статора і ротора та мережі живлення зменшуються.
КАД зберігає головну перевагу асинхронного двигуна — простоту
конструкції. Він виконується на базі серійного АД із незначними змінами
схеми обмотки статора для включення за автотрансформаторною схемою
конденсаторів внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності.
КАД відрізняється від серійного АД не лише конструктивною новизною
[2,4-6], але і фізичними процесами, особливості яких розглянемо для
симетричного усталеного режиму із використанням схем заміщення і
векторних діаграм фази приведеного двигуна (рис.1).
Рис.1. Схеми заміщення фази і спрощені векторні діаграми компенсованого
асинхронного двигуна при кутах просторового зміщення між основною і
додатковою обмотками статора а), б), в), г)
Обмотка статора КАД складається з двох частин. Основна обмотка з числом
витків W як у звичайному базовому АД включається в мережу трифазної
змінної напруги U. Додаткова обмотка з кількістю витків у загальному
випадку при підключена до основної як вторинна обмотка поворотного АТ.
Просторовий кут між основною і додатковою обмотками може бути будь-яким
у межах. Навантаженням на виході АТ є конденсатори з електричною ємністю
С. При цьому основний магнітний потік машини Фо створюється струмом
намагнічування основної обмотки ?о.
При розміщенні в тих самих пазах осердя статора співвісних ( ? = 0)
обмоток W та ?W (для спрощення аналізу і технології виконання обмоток
приймаємо ? = 1, ?W = W) всі обмотки статора і ротора перетинаються
єдиним потоком Фо і в них індукуються ЕРС ?1 = ?2 = ?? (див. рис.1,а).
При включенні додаткової обмотки ?W як вторинної до основної первинної
обмотки W за схемою підвищувального АТ з навантаженням на його виході у
вигляді електричної ємності C напруга на конденсаторі буде дорівнювати:
?k = ?1— ?1·Z1 + ??— ??·Z?= – ? + ?? — ??·Z? ? ?1 + ??, (1)
де ? = — ?1 + ?1·Z1 напруга фази мережі, урівноважена ЕРС ?1 та спадом
напруги ?1·Z1 в основній обмотці; Z1 = r1 + j·X1 , Z? = r? + j·X? —
опори основної та додаткової обмоток, r1 , r? — їх активні складові, X1
, X? — реактивні опори розсіювання, ?? — ??·Z? = ?? — напруга додаткової
обмотки, ?? , ??·Z? — її ЕРС і спад напруги.
Нехтуючи спадом напруги в обмотках можна вважати ?k ? ?1 + ??. Струм
вторинного кола АТ ?? випереджає напругу конденсатора ?k на 90о,
збігаючись за фазою із струмом намагнічування асинхронного двигуна ?0. У
цьому виявляється одна з особливостей фізичних процесів КАД —
підмагнічувальна дія ємнісного струму ??, який заміняючи частину струму
намагнічування основної обмотки зменшує його до величини ?’0 = ?0 — ??.
, що за однакових схем обмоток та кількості їх витків у приведеному
двигуні виразиться рівнянням струмів
, які збільшують їхні ЕРС до ?’1 = ?1 + ??m, ?’2 = ?2 + ??m.
в процесі розгону двигуна при заданому ковзанні S. Так збільшення
пускового моменту зумовлює зменшення часу розгону приводу, а в
усталеному режимі при постійному моменті навантаження виводить машину на
механічну характеристику з меншим ковзанням, а, отже, з меншими струмами
ротора I2 і статора I1 порівняно з базовим двигуном.
З іншого боку збільшення ЕРС основної обмотки E’1, що врівноважує
напругу мережі, веде до зниження струму ?1, що у відповідності із умовою
рівноваги МРС (2) зменшує кут ?1 між струмом основної обмотки та
напругою мережі (див. рис. 1,а). Як наслідок зростає коефіцієнт
потужності двигуна (cos ?1) і зменшується струм, споживаний двигуном з
мережі, ? = ?1 — ??.
Таким чином, співвісна з основною додаткова обмотка, включена з основною
обмоткою статора за схемою підвищувального АТ, що працює на електричну
ємність, є компенсаційною за реактивною потужністю. Проте, будучи чисто
реактивною, компенсаційна обмотка не несе активного навантаження, але
вимагає додаткового місця в пазах осердя статора, що збільшує габарити
машини.
Для того, щоб додаткова обмотка стала енергонесучою, за активною
потужністю її потрібно просторово змістити щодо основної на визначений
кут ? ? 0. При цьому АД в колі статора об’єднується із поворотним АТ,
включеним на електричну ємність (див. рис.1,б,в,г).
). Відносно напруги фази мережі ? струм ?? має реактивну складову ??P ,
яка співпадає за фазою із ?0 і підмагнічує систему, та активну складову
??U, а також активну складову ??E відносно ЕРС ?? додаткової обмотки
(див. рис. 1,б).
Величина U·I?U = P?EЛ являє собою активну потужність, споживану
додатковою обмоткою з мережі електричним шляхом, а E?·I?E = P?EM є
електромагнітною складовою цієї потужності.
У загальному вигляді добуток напруги на конденсаторі ?k = —? + ?? —??·Z?
на спряжений комплекс струму ??* виражає повну потужність вторинного
кола АТ, що за ємнісного навантаження АТ дорівнює реактивній потужності
конденсатора ?K·??*=—jQk , а величина
(—?+??—??·Z?)??*визначає окремі складові потужності вторинного кола АТ.
При цьому
—?·??*=S?ЕЛ=P?ЕЛ+jQ?ЕЛ, є потужністю, яка отримується вторинним колом АТ
з мережі живлення електричним шляхом ??·??*=S?ЕМ=P?ЕМ+jQ?ЕМ, —
електромагнітна потужність;
P?М=—I2?r? — втрати потужності на нагрівання вторинної обмотки;
Q?М=—I2?X?— реактивна потужність її поля розсіювання.
Рівняння балансу реактивної потужності вторинного кола АТ
представляється у вигляді —jQk=j(Q?ЕЛ+Q?ЕМ+Q?ЕР), а активної за
відсутності її складової в навантаженні АТ так:
P?ЕЛ+P?ЕМ+P?M=0, (3)
З векторної діаграми (див. рис. 1,б) випливає, що активна потужність,
отримана вторинним колом АТ з мережі живлення, дорівнює P?ЕЛ=—U·I?U>0, а
електромагнітна P?ЕM=—E?·I?E0витрачається на втрати і перетворюється в
електромагнітну, котра електромагнітним шляхом передається в інше коло,
тобто в основну обмотку статора або ротор. Але основна обмотка статора,
як і в звичайному двигуні, також одержує з мережі потужність
S1=—?·??*=P1+jQ1, активна частина якої P1=P1ЕЛ=U·I1?>0 витрачається на
втрати PM1=I21r1 і електромагнітним шляхом P1ЕM=E1·I1?90° максимум активної потужності додаткової обмотки і максимум
пускового моменту двигуна зміщаються у бік ?>90°. Найбільш ефективна
робота КАД при ?=120°, 150° (рис. 2). Проте збільшення кута ? веде до
зменшення напруги Uk на виході поворотного АТ і збільшення ємності,
необхідної для ефективної роботи КАД. Максимальна величина ємності
вимагається при ?=180°. Такий режим відповідає паралельній роботі двох
співвісних напівобмоток статора, в одну з яких включена електрична
ємність подовжньої ємнісної компенсації [4].
Найбільш просто просторовий зсув основної і додаткової обмоток статора в
схемі поворотного АТ досягається поділом фазної зони обмотки базового АД
на дві однакові за кількістю витків частини, зміщені одна відносно одної
на 30°. З таких напівобмоток формуються основна і додаткова обмотки
поворотного АТ із просторовим зсувом їх одна відносно одної на 30°,90°
або 150°.
При співвісних напівобмотках базового АД формуються схеми АТ з кутами
між основною і додатковою обмотками 0°, 60°, 120°, 180°. Згідно з
вимогами до пускових і робочих характеристик КАД приймається схема
поворотного АТ обмотки статора з необхідним значенням величини кута ?.
Рис. 2. Принципові електричні схеми обмотки статора КАД при а) ?=90°, б)
?=120°, в) ?=150°
У такий спосіб рівність електричних і електромагнітних потужностей (без
врахування їх втрат) у кожній з обмоток АТ, відповідність їхніх знаків
(електричні потужності позитивні і споживаються з мережі,
електромагнітні негативні і передаються в ротор) однакове завантаження
основної і додаткової обмоток за активною потужністю чи за струмом є
основними умовами ефективності енергетичних перетворень у КАД, при яких
обидві обмотки статора однаковою мірою беруть участь у передачі енергії
до ротора двигуна.
Такі умови забезпечуються при ?>0 і включенні конденсаторів на вихідну
напругу АТ, первинним колом якого є основні фазні обмотки статора.
Відхилення від цих умов, наприклад, при ?90°.
Так при ? = 150° (див. рис. 2,в) пусковий момент КАД порівняно з базовим
АД зростає на 20-30% без збільшення пускового струму і до 50% при
невеликому його збільшенні (на 10-15%), у робочому режимі дещо
підвищується швидкість ротора, знижуються струми ротора і статора,
зростає cos? двигуна.
У колі основної обмотки статора з фіксованою величиною напруги мережі
дія додаткової ЕРС ??m веде до зниження пускового і робочого струму,
збільшенню cos? двигуна.
Дія комплексу зазначених фізичних процесів КАД відображено в його
математичній моделі [3], частковим вираженням якої є система рівнянь
електричної рівноваги контурів фази для сталого симетричного режиму
двигуна:
(5)
Рівняння складені для системи електричних кіл з різною
просторово-часовою орієнтацією струмів, що враховується при визначенні
ЕРС взаємної індукції між окремими елементами кола введенням поворотного
множника e j?, який визначає приведення струмів просторово взаємно
зміщених обмоток до осі будь-якої однієї обмотки, взятої за основну.
У рівняннях (5) взяті параметри схем заміщення базового АД залежно від
схеми обмоток компенсованого двигуна.
Теоретичні дослідження, розрахунки характеристик, експериментальні
випробування КАД підтверджують принципи і практичну доцільність
внутрішньої ємнісної компенсації реактивної потужності в компенсованому
асинхронному двигуні.
Список літератури
Вольдек А.И. Електричні машини Л.: Енергія, 1976. — 782с.
Мишин В.И., Лут Н.Т. Асинхронные электродвигатели с улучшенными
энергетическими и пускорегулировочными характеристиками. // Вісник
Національного технічного університету “ХПІ”. Харків; — 2001. — №17. С.
110-112.
Мішин В.І., Чуєнко Р.М., Кафтан Б.М. Компенсований асинхронний двигун
(методика розрахунку усталеного симетричного режиму)./ Матеріали 3-ї
міжнародної конференції “Системи електромеханіки й енергетики” SIELMEN —
2001. Кишинів, 2001. — С. 99-106.
Патент України №30906 Н02ДО 17/34, Асинхронний двигун (Мішин В.І.,
Чуєнко М.О. та ін.), Бюл. №7-11, 2000.
Патент України №51814 Н02ДО 17/34, Асинхронний електродвигун (Мішин
В.І., Чуєнко Р.М. та ін.), Бюл. №12, 2002.
Патент України №56330 Н02ДО 17/34, Трифазний асинхронний електродвигун
(Мішин В.І., Кафтан Б.М. та інш.), Бюл. №5, 2003.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
