Построение механической характеристики асинхронного двигателя. Особенности асинхронного двигателя


2 Принцип действия и особенности работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (рисунок 1) состоит из двух основных частей: неподвижной части – статора и вращающейся – ротора. Статор собирается из листов электротехнической стали. В пазах его размещается обмотка. Статор помещен в корпусе (рисунок 1 в). Ротор, собираемый также из листов электротехнической стали с пазами для размещения обмотки, укрепляется на стальном валу. Вал вращается в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах (рисунок 1 б).

Различают асинхронные двигатели с фазным (рисунок 1 д) и короткозамкнутым (рисунок 1 г) ротором. Первые имеют на роторе обмотку, аналогичную статорной. Концы обмотки ротора через контактные кольца выводятся наружу. Обмотка короткозамкнутого ротора выполнена в виде беличьей клетки.

а) б) в)

г) д)

Рисунок 1 – Асинхронный двигатель: а – разрез; б – подшипниковые щиты; в – статор; г – короткозамкнутый ротор; д – фазный ротор

При подключении к трехфазной сети переменного тока обмотки статора асинхронного двигателя соединяются в звезду или в треугольник.

Рассмотрим магнитное поле, образованное обмотками статора, подключенными к трехфазной сети переменного тока.

На рисунке 2 б представлена простейшая обмотка статора асинхронного двигателя, в которой каждая фаза состоит из одного витка. Плоскости витков сдвинуты относительно друг друга на 120°, или на 1/3 окружности. В фазах обмотки проходят переменные токи. Следовательно, ток каждой фазы образует пульсирующее магнитное поле. Значения токов в фазных обмотках разных фаз сдвинуты по времени на третью часть периода, как показано на рисунке 2 а. Это означает, что если период тока равен Т, то вначале достигает максимального значения ток фазы А, через отрезок времени Т/3 – ток фазы В, далее через Т/3 – ток фазы С, затем – ток фазы А и т. д.

Токи считаются положительными, когда они в началах фаз (проводники Ан, Вн, Сн) вытекают из плоскости чертежа, что на рисунке 2 б обозначено точками, а отрицательный ток втекает в плоскость чертежа и обозначается крестиком.

В момент времени t1 ток фазы А имеет наибольшее значение и положителен, а в фазах В и С токи отрицательны. Этому положению соответствует верхняя схема на рисунке 2 б, из которой видно, что создаются две зоны токов противоположного направления. Применяя правило буравчика, можно прийти, к заключению, что силовые линии магнитного поля, создаваемого токами всех фаз, распределены так же, как распределилось бы магнитное поле, созданное постоянным магнитом, изображенным на этом рисунке пунктиром.

В момент времени t2 ток фазы В достигает наибольшего положительного значения, а в фазах А и С токи отрицательны. Этому положению соответствует вторая сверху схема. И в этом случае образуются две зоны токов противоположного направления. Эти зоны токов создают магнитное поле такое же, как на первой схеме, но повернутое на треть окружности по часовой стрелке. На двух нижних схемах на рисунке 2 б представлены картины распределения магнитного поля, создаваемого токами обмоток статора в моменты времени t3 и t4. На последней, нижней схеме, соответствующей моменту времени t4 распределение магнитного поля такое, как и в момент времени t1. Это значит, что за период частоты тока магнитное поле поворачивается на 360°. Такое магнитное поле называется вращающимся. Оно аналогично магнитному полю, создаваемому вращающимся по часовой стрелке постоянным магнитом, изображенным на рисунке 2 б пунктиром.

Рисунок 2 – Образование вращающегося магнитного поля трехфазным током: а – изменение фазных токов во времени; б – магнитное поле в разные моменты времени

Если поменять чередование двух фаз обмотки статора, то направление вращения магнитного поля изменится на противоположное. Поэтому и направление вращения двигателя изменится на обратное, что позволяет осуществить реверсирование двигателя.

Между частотой тока существует взаимосвязь

(2.1)

где

f – частота тока, Гц;

р – число пар полюсов;

ω – угловая скорость вращения магнитного поля, рад/с;

п0 – частота вращения магнитного поля, об/мин.

Стандартная частота тока, применяемого для промышленных целей, в России равна 50 Гц, поэтому

(2.2)

После описания вращающегося поля можно пояснить принцип действия трехфазных асинхронных двигателей.

Пусть неподвижный асинхронный двигатель подключается к сети переменного тока. Возникающее вращающееся магнитное поле, пересекая обмотки ротора, наводит в них электродвижущие силы (э. д. с). Это явление объясняется известным положением, согласно которому в проводнике, движущемся относительно магнитного поля, возникает э. д. с.. Под действием этой э. д. с. в обмотках ротора проходят токи, значения которых определяются э. д. с. и сопротивлениями обмоток ротора.

Взаимодействие тока в проводниках ротора и вращающегося магнитного потока вызывает появление вращающего момента, приложенного к ротору. Если этот момент превышает момент сопротивления механизма, ротор начинает вращаться.

Интересно выяснить, в какую сторону будет вращаться ротор – по направлению вращения ноля или наоборот. Для ответа на этот вопрос надо вспомнить физический закон Ленца, согласно которому при всяком изменении магнитного поля в проводниках возникают токи, препятствующие этому изменению. В асинхронном двигателе при возникновении вращающегося поля появятся токи в роторе, ослабляющие действие вращающегося поля. В соответствии с этим ротор должен вращаться по направлению поля, что приведет к уменьшению относительной скорости ротора и поля. Для ее оценки используют понятие «скольжение», позволяющие по известному скольжению определить соответствующую частоту вращения и угловую скорость.

Асинхронный двигатель использует вырабатываемую им механическую энергию для привода производственного механизма, например крана, станка, вентилятора и т. д. При работе механизма ему необходимо передать определенное количество энергии. Работа, совершенная в единицу времени, называется мощностью.

Как известно, зависимость вращающего момента от частоты вращения (угловой скорости) ротора называется механической характеристикой электрического двигателя. На рисунке 3 изображена механическая характеристика асинхронного двигателя.

Рисунок 3 – Механическая характеристика асинхронного двигателя

При подключении асинхронного двигателя к сети возникающее вращающееся поле взаимодействует стоком ротора, определяя появление вращающего момента. Вращающий момент электрической машины часто называют электромагнитным моментом. Электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем, при частоте вращения, равной нулю, называется пусковым и обозначается Мп (рис. 3).

Если статический момент механизма Мс больше пускового момента двигателя Мп, двигатель не сможет разогнаться. Если же пусковой момент двигателя больше статического Мс, то ротор двигателя будет ускоряться, а частота вращения двигателя увеличивается. При изменении частоты вращения ротора изменяется скорость пересечения проводников ротора магнитным полем двигателя. В результате этого изменяются токи в обмотках асинхронного двигателя, вызывая соответствующее изменение электромагнитного момента двигателя. Следовательно, разница между электромагнитным моментом двигателя и статическим моментом механизма с изменением частоты вращения также изменяется. При определенной частоте вращения эти моменты оказываются одинаковыми, при этом частота вращения системы двигатель – механизм устанавливается постоянной и соответствует точке А на рисунке 3.

Из изложенного ясно, что установившаяся частота вращения асинхронного двигателя зависит от нагрузки на его валу, т. е. от статического момента. При синхронной частоте вращения ротора момент, развиваемый асинхронным двигателем, равен нулю. Поэтому двигатель не может нести никакой нагрузки при синхронной скорости, а может быть нагружен только при «несинхронной» скорости, что, кстати говоря, и определило само название, асинхронного двигателя.

Чем больше скольжение, т. е. чем выше относительная скорость пересечения магнитным полем проводника ротора, тем больше и величина э. д. с. ротора. При синхронной частоте вращения проводники движутся с одинаковой скоростью с полем и не пересекаются им. Поэтому э. д. с. в роторе равна нулю, равен нулю и ток в роторе, а следовательно, отсутствует и вращающий момент.

На рисунке 3 буквой N обозначена точка механической характеристики, соответствующая номинальному режиму работы асинхронного двигателя. При этом двигатель, развивая номинальный момент Мп, вращается с номинальной частотой вращения. По обмоткам проходит номинальный ток. Номинальный режим работы характеризуется тем, что двигатель в этом режиме может работать длительно. При этом номинальные токи определяют нагрев обмоток до температуры, несколько меньшей, чем допустимая температура для данного класса изоляции обмоток.

Если к двигателю приложен статический момент, больший номинального, то длительная работа в таком режиме невозможна, так как в этом случае ток в обмотках больше номинального, что приведет к порче изоляции из-за повышенного нагрева обмоток и выходу двигателя из строя. Однако кратковременно двигатель может развивать момент, больший номинального, и это не приведет к выходу двигателя из строя.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, называется критическим и обозначается Мк, как показано на рисунке 3. Если статический момент больше критического, то двигатель начнет тормозиться и остановится.

Отношение критического момента к номинальному называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя. Перегрузочная способность выражает свойства двигателя выдерживать кратковременные перегрузки по моменту нагрузки. Для большинства асинхронных двигателей перегрузочная способность равна 1,7÷2,2. Специальные, например крановые, двигатели имеют перегрузочную способность до 3.

Асинхронный двигатель обычно работает на участке механической характеристики от синхронной частоты вращения до частоты вращения пк, соответствующей критическому моменту. Поэтому этот участок характеристики часто называется рабочим.

Кроме двигательного режима, асинхронная машина может работать в генераторных режимах; когда на вал ротора поступает механическая энергия и преобразуется с помощью магнитного поля в электрическую. Генераторные режимы бывают разные: с рекуперацией (возвращением) энергии в сеть, режимы противовключения и динамического торможения. В генераторном режиме с рекуперацией асинхронная машина в работает при частоте вращения ротора двигателя, превышающей синхронную. В этом режиме происходит преобразование механической энергии, поступающей с вала, в электрическую энергию, отдаваемую за вычетом потерь в сеть переменного тока. Режим противовключения имеет место при отрицательных частотах вращения двигателя, т. е. в этом случае ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля. Такой режим имеет место, например, при спуске тяжелого груза подъемным механизмом. Двигатель включен при этом для движения в направлении подъема, но так как в роторную цепь его включено большое сопротивление, нужные для уравновешивания груза ток и момент двигатель развивает лишь при вращении в направлении спуска, т. е. при скольжении, большем единицы. При таком режиме двигатель потребляет электрическую энергию из сети и механическую с вала за счет изменения потенциальной энергии при спуске груза. И та, и другая части энергии выделяются в виде тепла в цепи ротора, главным образом в добавочных сопротивлениях. Механическая характеристика, соответствующая спуску при торможении противовключением, показана на рисунке 3 пунктиром.

studfiles.net

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Под потерей фазы понимают однофазный режим работы электродвигателя в результате отключения питания по одному из проводов трехфазной системы.

Причинами потери фазы электродвигателем могут быть: обрыв одного из проводов, сгорание одного из предохранителей; нарушение контакта в одной из фаз.

В зависимости от обстоятельств, при которых произошла потеря фазы, могут быть разные режимы работы электродвигателя и последствия, сопутствующие этим режимам. При этом следует принимать во внимание следующие факторы: схему соединения обмоток электродвигателя ("звезда" или "треугольник"), рабочее состояние двигателя в момент потери фазы (потеря фазы может произойти до или после включения двигателя, во время работы под нагрузкой), степень загрузки двигателя и механическую характеристику рабочей машины, число электродвигателей, работающих при потере фазы, и их взаимное влияние.

Здесь следует обратить внимание на особенность рассматриваемого режима. В трехфазном режиме каждая фаза обмотки обтекается током, сдвинутым во времени на одну треть периода. При потере фазы две обмотки обтекаются одним и тем же током, в третьей фазе ток отсутствует. Несмотря на то, что концы обмоток присоединены к двумя фазным проводам трехфазной системы, токи в обеих обмотках совпадают по времени. Такой режим работы называется однофазным.

Магнитное поле, образованное однофазным током, в отличие от вращающегося поля, образованного трехфазной системой токов, является пульсирующим. Оно изменяется во времени, но не перемещается по окружности статора. На рисунке 1, а показан вектор магнитного потока, создаваемого в двигателе при однофазном режиме. Этот вектор не вращается, а лишь изменяется по величине и знаку. Круговое поле сплющивается до прямой линии.

Рисунок 1. Характеристики асинхронного двигателя в однофазном режиме: а — графическое изображение пульсирующего магнитного поля; б — разложение пульсирующего поля на два вращающихся; в — механические характеристики асинхронного двигателя в трехфазном (1) и однофазном (2) режимах работы.

Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать состоящим из двух вращающихся навстречу друг другу равных по величине полей (рис. 1, б). Каждое поле взаимодействует с обмоткой ротора и образует вращающий момент. Их суммарное действие создает вращающий момент на валу двигателя.

В том случае, когда потеря фазы произошла до включения двигателя в сеть, на неподвижный ротор действуют два магнитных поля, которые образуют два противоположных по знаку, но равных по величине момента. Их сумма будет равна нулю. Поэтому при пуске двигателя в однофазном режиме он не может развернуться даже при отсутствии нагрузки на валу.

Если потеря фазы произошла в то время, когда ротор двигателя вращался, то на его валу образуется вращающий момент. Это можно объяснить следующим образом. Вращающийся ротор по разному взаимодействует с вращающимися навстречу друг другу полями. Одно из них, вращение которого совпадает с вращением ротора, образует положительный (совпадающий по направлению) момент, другое — отрицательный. В отличие от случая с неподвижным ротором эти моменты будут разными по величине. Их разность будет равна моменту на валу двигателя.

На рисунке 1, в показана механическая характеристика двигателя в однофазном и трехфазном режимах работы. При нулевой скорости момент равен нулю, при появлении вращения в любую сторону на валу двигателя возникает момент.

Если отключение одной из фаз произошло во время работы двигателя, когда его скорость была близка к номинальному значению, вращающий момент часто бывает достаточным для продолжения работы с небольшим снижением скорости. В отличие от трехфазного симметричного режима появляется характерное гудение. В остальном внешние проявления аварийного режима не наблюдаются. Человек, не имеющий опыта работы с асинхронными двигателями, может не заметить изменения характера работы электродвигателя.

Переход электродвигателя в однофазный режим сопровождается перераспределением токов и напряжений между фазами. Если обмотки двигателя соединены по схеме "звезда", то после потери фазы образуется схема, показанная на рисунке 2. Две последовательно соединенные обмотки двигателя оказываются включенными на линейное напряжение Uаb, двигатель при этом оказывается в однофазном режиме работы.

Сделаем небольшой расчет, определим токи, протекающие по обмоткам двигателя и сравним их с токами при трехфазном питании.

Рисунок 2. Соединение обмоток двигателя по схеме "звезда" после потерн фазы

Так как сопротивления Zа и Zв соединены последовательно, напряжения на фазах А и В будут равны половине линейного:

Приближенно величину тока можно определить исходя из следующих соображений.

Пусковой ток фазы А при потере фазы

Пусковой ток фазы А при трехфазном режиме

где Uao — фазовое напряжение сети.

Отношение пусковых токов:

Из соотношения следует, что при потере фазы пусковой ток составляет 86% от величины пускового тока при трехфазном питании. Если учесть, что пусковой ток короткозамкнутого асинхронного двигателя в 6 - 7 раз больше номинального, то получается, что по обмоткам двигателя протекает ток Iiф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн, т. е. в пять с лишним раз превышающий номинальный. За короткий промежуток времени такой ток перегреет обмотку.

Из приведенного расчета видно, что рассматриваемый режим работы весьма опасен для двигателя и в случае его возникновения защита должна отключить с незначительной выдержкой времени.

Потеря фазы может произойти и после включения двигателя, когда его ротор будет иметь скорость вращения, соответствующую рабочему режиму. Рассмотрим токи и напряжения обмоток в случае перехода в однофазный режим при вращающемся роторе.

Величина Za зависит от скорости вращения. При пуске, когда скорость вращения ротора равна нулю, она одинакова как для трехфазного, так и для однофазного режима. В рабочем режиме в зависимости от нагрузки и механической характеристики двигателя скорость вращения может быть разной. Поэтому для анализа токовых нагрузок необходим другой подход.

Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режиме двигатель развивает. одинаковую мощность. Независимо от схемы включения электродвигателя рабочая машина требует ту же самую мощность, которая необходима для выполнения технологического процесса.

Полагая мощности на валу двигателя равными для обоих режимов, будем иметь:

при трехфазном режиме

при однофазном режиме

где Ua — фазовое напряжение сети; Uao — напряжение на фазе А в однофазном режиме, cos φ3 и cos φ1 — коэффициенты мощности при трехфазном и однофазном режимах соответственно.

Опыты с асинхронным двигателем показывают, что фактически ток возрастает почти вдвое. С некоторым запасом можно считать I1a / I2a = 2.

Для того чтобы судить о степени опасности однофазного режима работы, нужно также знать загрузку двигателя.

В первом приближении будем считать ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональным его нагрузке на валу. Такое допущение справедливо при нагрузках более 50% от номинального значения. Тогда можно написать Iф = Kз х Iн, где Kз — коэффициент загрузки двигателя, Iн — номинальный ток двигателя.

Ток при однофазном режиме I1ф = 2Kзх Iн, т. е. ток при однофазном режиме будет зависеть от загрузки двигателя. При номинальной нагрузке он равен двойному номинальному току. При нагрузке менее 50% потеря фазы при соединении обмоток двигателя в "звезду" не создает опасного для обмоток превышения тока. В большинстве случаев коэффициент загрузки двигателя меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 - 0,75 следует ожидать небольшого превышения тока (на 20— 50%) по сравнению с номинальным. Это существенно для работы защиты, так как именно в этой области перегрузок она действует недостаточно четко.

Для анализа некоторых способов защиты необходимо знать напряжение на фазах двигателя. При заторможенном роторе напряжение на фазах А и В будет равно половине линейного напряжения Uab, а напряжение на фазе С будет равно нулю.

Иначе распределяется напряжение при вращающемся роторе. Дело в том, что его вращение сопровождается образованием вращающегося магнитного поля, которое, действуя на обмотки статора, наводит в них электродвижущую силу. Величина и фаза этой электродвижущей силы таковы, что при скорости вращения, близкой к синхронной, на обмотках восстанавливается симметричная система трехфазного напряжения, а напряжение нейтрали звезды (точка 0) становится равным нулю. Таким образом, при изменении скорости вращения ротора от нуля до синхронной в однофазном режиме работы напряжение на фазах А и В изменяется от значения, равного половине линейного, до значения, равного фазовому напряжению сети. Например, в системе напряжения 380/220 В напряжение на фазах А и В изменяется в пределах 190 - 220 В. Напряжение Uco изменяется от нуля при заторможенном роторе до фазового напряжения 220 В при синхронной скорости. Что же касается напряжения в точке 0, то оно изменяется от значения Uab/2 - до нуля при синхронной скорости.

Если обмотки двигателя соединены по схеме "треугольник", то после потери фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рисунке 3. В этом случае обмотка двигателя с сопротивлением Zab оказывается включенной на линейное напряжение Uab, а обмотка с сопротивлениями Zfc и Zbc — соединенной последовательно и включенной на то же самое линейное напряжение.

Рисунок 3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "треугольник" после потери фазы

В пусковом режиме по обмоткам АВ будет протекать такой же ток, как и при трехфазном варианте, а по обмоткам АС и ВС будет протекать ток в два раза меньший, так как эти обмотки соединены последовательно.

Токи в линейных проводах I'a=I'b будут равны сумме токов в параллельных ветвях: I'А = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Таким образом, в рассматриваемом случае при потере фазы пусковой ток в одной из фаз будет равен пусковому току при трехфазном питании, а линейный ток возрастает менее интенсивно.

Для расчета токов в случае потери фазы после включения двигателя в работу применим тот же метод, что и для схемы "звезда". Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режимах двигатель развивает одинаковую мощность.

В этом режиме работы ток в наиболее нагруженной фазе при потере фазы увеличивается вдвое по сравнению с током при трехфазном питании. Ток в линейном проводе будет равен I'А = 3Iab, а при трехфазном питании Ia = 1,73 Iab.

Здесь важно отметить, что в то время как фазовый ток возрастает в 2 раза, линейный ток увеличивается только в 1,73 раза. Это существенно, так как токовая защита реагирует на линейные токи. Расчеты и выводы относительно влияния коэффициента загрузки на ток однофазного режима при соединении "звезда" остаются в силе и для случая схемы "треугольник".

Напряжения на фазах АС и ВС будут зависеть от скорости вращения ротора. При заторможенном роторе Uac' = Ubc' = Uab/2

При скорости вращения, равной синхронной, восстанавливается симметричная система напряжений, т. е. Uac' = Ubc' = Uab.

Таким образом, напряжения на фазах АС и ВС при изменениях скорости вращения от нуля до синхронной будут меняться от значения, равного половине линейного, до значения, равного линейному напряжению. 

Токи и напряжения на фазах двигателя при однофазном режиме зависят также и от числа двигателей.

Часто обрыв фазы происходит из-за перегорания одного из предохранителей на питающем фидере подстанции или распределительного устройства. В результате в однофазном режиме оказывается группа потребителей, взаимно влияющих друг на друга. Распределение токов и напряжений зависит от мощности отдельных двигателей и их нагрузки. Здесь возможны различные варианты. Если мощности электродвигателей равны, а их нагрузка одинакова (например, группа вытяжных вентиляторов), то всю группу двигателей можно заменить одним эквивалентным.

studfiles.net

Конструктивные особенности асинхронных двигателей различных типов

 

Короткозамкнутый ротор.

По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, периодической замены и пр.). Основные недостатки этих двигателей - сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты (электроприводы металлообраба­тывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с ко­роткозамкнутым ротором.

Как показано ниже, в двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели можно применять для привода машин и механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузоподъемных машин и пр.).

ПСТ.КР140448ЭЛ41-09с20.000ПЗ  
Каждая обмотка-фаза электродвигателя переменного тока имеет маркировку, приведенную ниже.
    по ГОСТ 183-74   по ГОСТ 2.709-89
Фазы I II III I II III
Начала C1 C2 C3 U1 V1 W1
Концы C4 C5 C6 U2 V2 W2

 

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. Сердечники ротора и статора имеют зубчатую структуру. В машинах малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьего колеса» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности «беличье колесо» выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамыкающими кольцами при помощи сварки.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение, чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (в частности, при пуске).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при прямом пуске (без регулирования) имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным их недостатком. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда вращается в воздушном зазоре только полый цилиндр из алюминия, можно достичь малой инерционности двигателя.

ПСТ.КР140448ЭЛ41-09с20.000ПЗ  

Массивный ротор.

Существует разновидность асинхронных машин с массивным ротором. Такой ротор изготавливают полностью из ферромагнитного материала, то есть фактически это стальной цилиндр. Ферромагнитный ротор одновременно выполняет роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Вращающееся магнитное поле индуцирует в роторе вихревые токи, которые взаимодействуя с магнитным потоком статора создают вращающий момент.

Достоинства:

1. Простота изготовления, дешевизна

2. Высокая механическая прочность (важно для высокоскоростных машин)

3. Высокий пусковой момент

 

Недостатки:

Большие потери энергии в роторе

 

Особенности:

1. Имеют пологую механическую характеристику

2. Ротор значительно нагревается даже при небольших нагрузках.

 

Существуют разные способы улучшения массивных роторов: припаивание медных колец по торцам, покрытие ротора слоем меди.

Отдельно можно поставить машины с полым ротором. Это может быть полый цилиндр из ферромагнитного или просто из проводящего материала.

 

Фазный ротор.

Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью графитовых или металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора:

1.

ПСТ.КР140448ЭЛ41-09с20.000ПЗ  
включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.

2. включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора. Сопротивление дросселей пропорционально частоте протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости — «подхватить» двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.

3. включают источник постоянного тока, получая таким образом синхронную машину.

4. включают питание от инвертора, что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора, с фазировкой, противоположной той, которой запитан статор.

 

megaobuchalka.ru

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Количество просмотров публикации РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ - 255

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют из себязависимости скольжения S, числа оборотов ротора n2, раз­виваемого момента М, потребляемого тока I1, расходуемой мощности Р1, коэффициента мощности соs j и к. п. д. η от полезной мощности Р2 на валу машины. Эти характеристики снимаются три естественных условиях работы двигателя, т. е. двигатель нерегулируемый, частота f1 и напряжение U1 се­ти остаются постоянными, а изменяется только нагрузка на валу двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя двигателя

При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастет, причем при боль­ших нагрузках скольжение увеличивается несколько быст­рее, чем при малых.

При холостом ходе двигателя n2=n1 или S=0. При номинальной нагрузке скольжение обычно составляет S = 3-5%. Скорость вращения ротора

Так как при увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, то число оборотов будет уменьшаться. При этом из­менение скорости вращения при увеличении нагрузки от 0 до номи­нальной очень незначительно и не превышает 5%. По этой причине скоро­стная характеристика асинхронного двигателя является жесткой — она имеет очень малый наклон к горизонтальной оси.

Вращающий момент, развиваемый двигателœем М, уравновешен тормозным моментом на валу М2 и моментом, идущим на преодоление механических потерь М0, т. е.

где Р2 — полезная мощность двигателя, W2 — угловая скорость ротора.

При холостом ходе двигателя вращающий момент равен М0; с увеличением нагрузки на валу данный момент также увеличивается, причем за счёт некоторого уменьшения скорости ротора увеличение вращающего момента происходит быстрее, чем увеличение полезной мощности на валу.

Сила тока I1 потребляемого двигателœем из сети, неравномерно изменяется с увеличением нагрузки на валу двигателя. При холо­стом ходе соs j мал и ток имеет большую реактивную составляю­щую и очень малую активную составляющую. При малых нагруз­ках на валу двигателя активная составляющая тока статора меньше реактивной составляющей, а потому изменение нагрузки, т. е. изменение активной составляющей тока, вызывает незначитель­ное изменение силы тока I1 (определяющейся в основном реактивной составляющей). При больших нагрузках активная составляющая тока статора становится больше реактивной и изменение нагрузки вызывает значительное изменение силы тока I1..

Потребляемая двигателœем мощность Р1 при графическом изоб­ражении имеет вид почти прямой линии, незначительно отклоняю­щейся вверх при больших нагрузках, что объясняется увеличением потерь в обмотках статора и ротора с увеличением нагрузки.

Изменение коэффициента мощности при изменении нагрузки на валу двигателя происходит следующим образом. При холостом ходе соsj мал (порядка 0,2), так как активная составляющая тока ста­тора, обусловленная потерями мощности в машинœе, мала по срав­нению с реактивной составляющей этого тока, создающей магнит­ный поток. При увеличении нагрузки на валу соsj возрастает (достигая наибольшего значения 0,8—0,9) в результате увеличе­ния активной составляющей тока статора. При очень больших на­грузках происходит неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ уменьшение соsj, так как вследствие значительного увеличения скольжения и частоты тока в роторе возрастает реактивное сопротивление обмотки ротора.

Кривая к. п. д. т имеет такой же вид, как в любой машинœе или трансформаторе. При холостом ходе к. п. д. равен нулю. С увели­чением нагрузки на валу двигателя к. п. д. резко увеличивается, а затем уменьшается. Наибольшего значения к. п. д. достигает при такой нагрузке, когда потери мощности в стали и механические потери, не зависящие от нагрузки, равны потерям мощности в обмотках статора и ротора, зависящим от нагрузки. Торможение противовключениемЭтот тормозной режим возникает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

На рис. 2.27 представлены механические характеристики асинхронного двигателя при торможении противовключении для прямого (1) и обратного (2) порядка чередования фаз.

Пусть двигатель с нагрузкой на валу работал в точке А. Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередования фаз, ᴛ.ᴇ. переключить две фазы. При этом рабочая точка перейдет в точку В (рис. 2.27). На участке ВС машина работает в режиме электромагнитного тормоза, развивая тормозной момент, под действием которого происходит быстрое снижение скорости до нуля. В точке С двигатель нужно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, т.к. тормозной момент действует на всœем тормозном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая скорость вращения и отключающая двигатель от сети при его остановке. В случае если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших потерь мощности.

Билет 13

1. В общем случае при несимметричной нагрузке Zab ≠ Zbc ≠ Zca. Обычно она возникает при питании от трехфазной сети однофазных приемников.

Векторная диаграмма для случая, когда в фазе ab имеется активная нагрузка, в фазе bc – активно-индуктивная, а в фазе ca – активно-емкостная приведена на рис. 3.16, топографическая диаграмма – на рис. 3.17.

Построение векторов линœейных токов произведено в соответствии с выражениями

İA = İab - İca; İB = İbc - İab; İC = İca - İbc.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при несимметричной нагрузке симметрия фазных токов İab, İbс, İca нарушается, в связи с этим линœейные токи İA, İB, İC можно определить только расчетом по вышеприведенным уравнениям (3.20) или найти графическим путем из векторных диаграмм (рис. 3.16, 3.17).

Сумма мгновенных значений токов равна нулю – доказывается с помощью временных диаграмм трехфазной системы токов (см. рис.)

В момент времени ωt = 0: iA= 0, iC> 0, iB< 0 , причем iC= – iB в момент ωt = 2π/12 iB= –Im, iA= iC= 0,5Im в момент ωt = 2π/6 iC= 0, iA= – iB и т.д. Во всœех случаях сумма мгновенных значенийтоков равна нулю.

2. Характеристика холостого хода — это зависимость ЭДС якоря Ея от тока возбуж­дения IВ, когда нагрузка отсутствует, а час­тота вращения якоря п постоянна:

Ея = f(IB) при I = 0, п = const,

где I — ток нагрузки (у генерато­ра независимого возбуждения ток нагрузки равен току якоря).

В режиме холостого хода Ея = сепФ0, так как результирующий поток Ф равен основному потоку Ф0. Учитывая, что п = const, получим Ея = с'еФ,

где с'е = сеп = const. (cе – постоянная, зависит от машины, n – число витков)

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ЭДС яко­ря линœейно зависит от маг­нитного потока Ф0, который создается током возбужде­ния Iв. Зависимость между потоком и током возбужде­ния определяется характери­стикой намагничивания. Сле­довательно, и зависимость Ея = f(IB) также имеет вид характеристики намагничи­вания (рис.). В случае если по­люсы генератора предварительно намагничены, то они сохраняют остаточную намагниченность, в связи с этим в ма­шинœе при токе Iв = 0 имеется незначительный магнит­ный поток Фост, называемый остаточным магнитным потоком. По этой причинœе при токе Iв = 0 в обмотке вращающегося якоря индуцируется небольшая остаточ­ная ЭДС Еост, что несколько изменяет вид характеристи­ки в начале координат (штриховая линия на рис.). Номинальному значению ЭДС Еяном = Uном соответствует ток возбуждения Iв0.

По ХХХ определяют, как нужно изменять ток возбуждения чтобы получить необходимую ЭДС.

3. Устройство синхронных машин

На статоре 1 генератора размещается обмотка 2, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, ᴛ.ᴇ. на 120°. На рис. 3.1 каждая фаза обмотки статора условно показана состоящей из одного витка. Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z. Ротор 3 представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4, расположенной на роторе.

Статор синхронных машин имеет такое же устрой­ство, как и статор асинхронной машины. Трехфазную обмотку, размещенную в пазах сердечника статора, вы­полняют с таким же числом полюсов, как и ротор. Размещено на реф.рфВ син­хронных машинах обмотку статора принято называть обмоткой якоря, а сердечник статора вместе с обмоткой — якорем. При этом статор синхронных машин име­ет и некоторые конструктивные особенности, обуслов­ленные крайне важно стью его интенсивного охлаждения, так как в крупных синхронных машинах мощность по­терь энергии, преобразующейся в тепловую, очень ве­лика. В крупных машинах в системах охлаждения в качестве хладагентов использу­ют водород, трансформаторное масло и дистиллирован­ную воду. В машинах относительно небольшой мощности используют также и воздушное принудительное охлаждение.

Ротор синхронных машин конструктивно выполняют либо явнополюсным (с явно выраженными полюсами), либо неявнополюсным (с неявно выраженными полюсами), поперечные сечения которых показаны на рис. 13.1. На роторе располагают обмотку возбуждения. Ее подключают к источнику постоянного напряжения, называемого возбудителœем. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ротор синхронной машины имеет свой магнитный поток, который определяет полярность его полюсов. В этом заключается принципиальное конструктивное отличие ротора синхронной машины от ротора асинхронной машины, полярность полюсов которого всœегда определяется полярностью полюсов статора.

Неявнополюсный ротор, как правило, изготовляют как единое целое из стальной поковки, используя для этого особо прочную сталь, обладающую высокими магнитными и механическими свойствами. Обмотку возбуждения закладывают в пазы, выфрезерованные на наружной поверхности ротора, и она создает магнитное поле с двумя или четырьмя полюсами, в случае если ее подключить к источнику постоянного напряжения. Такой ротор при­меняют в синхронных машинах при частотах вращения вала 3000 об/мин и 1500 об/мин (в турбогенераторах и синхронных двигателях). Общий вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рис. 13.2а.

Явнсполюсный ротор применяют в гидрогенерато­рах, синхронных двигателях и компенсаторах, в кото­рых частота вращения, как правило, не превышает 1000 об/мин. Внешний вид роторов таких машин пока­зан на рис. 13.2б, в. Сердечники полюсов изготовляют из листовой электротехнической стали. Число полюсов, которых размещают обмотку возбуждения, должна быть достаточно большим, особенно в гидрогенераторах. Это связано с тем, что гидравлические турбины — тихоходные машины, и чтобы получить промышленную часто­ту напряжения f = рп/60 = 50 Гц при малой частоте вращения п, крайне важно иметь большое число пар по­люсов р. Размещено на реф.рфТак, к примеру, гидрогенераторы, установлен­ные на Саяно-Шушенской ГЭС, имеют частоту враще­ния п = 142,8 об/мин и число пар полюсов р = 21. По этой причинœе наружный диаметр ротора мощных гидроге­нераторов может достигать 16 м при длинœе 1,75 м. С целью снижения механической нагрузки на вал в мощных гид­рогенераторах вал ротора располагают вертикально. Внеш­ний вид гидрогенератора с таким конструктивным ис­полнением показан на рис. 13.3.

Синхронные двигатели изготовляют, как правило, с горизонтальным расположением вала. При частоте вращения 3000 об/мин они имеют ротор с неявно выраженными полюсами, а при частоте вращения от 100 до 1000 об/мин — с явно выраженными полюсами. В ма­шинах небольшой мощности такое исполнение ротора иногда применяют и при частотах вращения 1500 об/мин. В явнополюсных двигателях в полюсные наконечники укладывают короткозамкнутую обмотку, называемую пусковой, аналогичную короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронных машинах (рис. 13.4). Она предназначена для осуществления асинхронного пуска синхронных дви­гателœей и повышения устойчивости работы двигателя.

Синхронные компенсаторы выполняют только в явнополюсном исполнении с горизонтальным расположе­нием вала.

referatwork.ru

Построение механической характеристики асинхронного двигателя

Для оценки свойств асинхронного двигателя прибегают к построению механической характеристики.

Механическая характеристика асинхронного двигателя выражает зависимость между электромагнитным моментом и частотой вращения, либо скольжением. Скольжение – это величина, которая показывает, насколько частота вращения магнитного поля опережает частоту вращения ротора.

Благодаря механической характеристике, появляется возможность определить к какому типу установки больше подходит двигатель, на каком участке сохраняется его устойчивая работа, перегрузочную способность и другое.

Построим механическую характеристику для двигателя 4A90L4У3.

Паспортные данные двигателя:

n1 = 1500 об/мин

Pн = 2.2 КВт

nн = 1425 об/мин

η = 80 %

cos φ = 0.83

Mmax/Mн = λ = 2,2

Для построения нам необходимо произвести расчет номинального момента и скольжения.

Рассчитаем критическое скольжение и момент, для этого необходимо знать коэффициент λ.

Итак, мы определили основные точки характеристики, но для её построения их недостаточно. Поэтому с помощью упрощенной формулы Клосса, рассчитаем моменты для других значений скольжений.

Упрощенная формула Клосса выглядит следующим образом

Для удобства составим таблицу.

s

0

sкр/2 sкр

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

M

0

14.61

25.94

32.43

32,39

30.47

26.69

23.16

20.22

17.85

15.93

14.35

13.05

n

1500

1425

1342.5

1185

1200

1050

900

750

600

450

300

150

0

 

 Рассчитаем для каждого значения скольжения момент и частоту вращения. Например, для значения 0.2

Частоту вращения выразим из формулы для определения скольжения

Подобным образом рассчитываются остальные значения.

Так как формула упрощенная, значения могут несколько отличаться от действительных, что не критично для расчетов.

Теперь на основании расчетов мы можем построить саму механическую характеристику.

Зависимость момента от скольжения M = f(s)

Зависимость частоты оборотов от момента n = f(M)

Рекомендуем - механическая характеристика электропривода

  • Просмотров: 537
  • electroandi.ru

    Технические особенности асинхронных двигателей

    Если говорить более точно, то асинхронный двигатель является несинхронным, однако такое название противоречит эстетике физики. Особенность данного мотора заключается в том, что он имеет меньшее число оборотов, чем магнитное поле. Популярность рассмотренного типа постоянно возрастает. Связано это с тем, что потребители предпочитают использовать машины переменного тока. В первую очередь это объясняется их сравнительно низким весом, да и в цене такие устройства значительно упали.

    Но перед тем, как покупать такой электродвигатель, нужно учесть ряд факторов. Сначала обратите внимание на напряжение. В нашем случае стандартов бывает несколько, но самым распространенным вариантом, разумеется, является 220 Вольт. Максимально возможный показатель составляет 10 тысяч вольт. Сегодня электродвигатели асинхронные, соответствующие указанным нормам, выпускаются практически всеми промышленными предприятиями. Выбор зависит от цели, которую хочет достигнуть потребитель. Для ведения строительных работ наиболее оптимальным вариантом является напряжение  220/380 В. На выбор режима влияет тип соединения.

    Когда мы говорим о мощности, то должны различать такие понятия, как электрическая и номинальная мощность. На заводском щите обозначен показатель второго вида, то есть это тот результат, который машина достигает на своем валу. Согласно законам физики, электрическая мощность всегда больше номинальной. Чтобы подсчитать разницу, нужно узнать величину потерь энергии. Как правило, электрическая мощность больше номинальной на 15%. Как вы поняли, на основании этих двух понятий и определяется коэффициент полезного действия.

    Еще одним весомым преимуществом асинхронного типа является безопасность. На производстве собираются только взрывозащищенные электродвигатели, дабы на предприятии у потребителей не возникло неприятных инцидентов. Все вышеописанные факторы учитываются специалистами именно для того, чтобы обеспечить безопасную работу оборудования. В противном случае двигатели никто не стал бы покупать, к такому выводу можно прийти на основании исследований многих других типов.

    Также дадим один совет по эксплуатации. Дабы машина не теряла в мощности, обязательно нужно избежать увеличения воздушного зазора. Ведь данное явление существенно влияет на показатели КПД. Данную меру нужно учесть во время ремонта двигателя.

    Если Вам понравилась наша энциклопедия или пригодилась информация на этой странице поделитесь ею с друзьями и знакомыми - нажмите одну из кнопок соц сетей внизу страницы или вверху, ведь среди кучи ненужного мусора интернете достаточно сложно найти действительно интересные материалы.

    planete-zemlya.ru