Aklaypart.ru

Авто Журнал
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое вращающий момент асинхронного двигателя

12. Электрические машины переменного тока

. (12.2)

Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом Мэм = М2.
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n2 приблизительно равна синхронной частоте n1. Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n2 > n1. Скольжение асинхронного генератора .
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f1 и числом пар полюсов статора. При частоте f1 = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.

P1234
n1, об/мин3 00015001000750

Из формулы (12.1) получим

(12.3)

Скорость поля статора относительно ротора называется скоростью скольжения

.

Частота тока и ЭДС в роторной обмотке

,

. (12.4)

Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е1 и Е.

; ,

где Фm — максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
статорной и роторной обмотками;
W1 и W2 — числа витков статорной и роторной обмоток;
f1 — частота напряжения в сети;
K01 и K02 — обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки. Этот факт учитывается введением в формулы, определяющие величины электродвижущих сил обмоток, обмоточных коэффициентов. Величины обмоточных коэффициентов несколько меньше единицы.
ЭДС в обмотке вращающегося ротора

(12.5)

Ток ротора работающей машины

где R2 — активное сопротивление роторной обмотки;
х2 — индуктивное сопротивление роторной обмотки.

где х— индуктивное сопротивление заторможенного ротора.

История создания

Теоретическая база асинхронной электрической установки была разработана в 1888 г. итальянским техником Г. Феррарисом и ученым Николой Тесла, причем специалисты вели исследования параллельно. Изначальные расчеты показали низкий КПД устройства, но российский инженер М.О. Доливо-Добровольский опроверг это предположение. Уже в 1889-90 гг. изобретатель из России получает несколько патентов на асинхронные силовые установки, а в 1903 г. в Новороссийске начинает работать элеватор с механизмами, оснащенными трехфазными асинхронными моторами.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Читать еще:  Volkswagen tiguan схема двигателя

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Типы электрических двигателей

Двигатели постоянного тока

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P2 [кВт] некоторых механизмов.

  1. Вентилятор

где Q [м3/с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

ηвент, ηпер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

§ 3.8. Асинхронный электродвигатель

Чтобы понять основную идею конструкции и действия этих двигателей, обратимся к опыту (рис. 3.24). Если дугообразный магнит привести во вращение, то помещенный в это поле замкнутый проволочный виток тоже придет во вращение в ту же сторону, в какую вращается магнит. Объяснить опыт можно следующим образом. Так как магнит вращается, то создаваемое им магнитное поле тоже приходит во вращение. При вращении поля изменяется магнитный поток через виток, поэтому в витке индуцируется ток. Взаимодействие индукционного тока с магнитным полем вращающегося магнита вызывает вращение витка.

Читать еще:  Характеристики 102 двигателя мерса

Согласно правилу Ленца индукционный ток в витке противодействует изменению магнитного потока через виток, т. е. противодействует вращению поля. Но замедлить вращение магнитного поля он не может, так как оно определяется внешней механической силой. Поэтому виток сам вращается в сторону вращения поля.

При наличии трехфазного тока очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита, что используется в асинхронном электродвигателе.

Устройство асинхронного электродвигателя

Асинхронный электродвигатель (рис. 3.25) состоит из двух главных частей: неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 2.

Статор электродвигателя набирается из отдельных стальных листов (рис. 3.26), которые изолируются друг от друга и образуют конструкцию, показанную на рисунке 3.27. На внутренней поверхности статора в пазах укладывается обмотка.

Ротор электродвигателя тоже набирается из стальных листов (рис. 3.28), которые закрепляются на валу (рис. 3.29).

В пазы ротора укладываются медные стержни, которые на торцовых частях соединяются друг с другом медными кольцами, образуя обмотку, называемую «беличьим колесом» (рис. 3.30).

Обмотка статора трехфазного асинхронного электродвигателя в простейшем случае состоит из трех катушек, повернутых друг относительно друга на 120° (рис. 3.31). Эти катушки соединяются звездой или треугольником и включаются в сеть трехфазного тока.

Вращающееся магнитное поле

По трем обмоткам (катушкам) статора (см. рис. 3.31) проходят токи трехфазной системы, сдвинутые по фазе на 2π/3. Эти токи образуют три переменных магнитных поля. Так как в любой момент времени модуль В индукции магнитного поля пропорционален силе тока в катушке i, то изменения модуля индукции магнитного поля любой катушки происходят по тому же закону, по которому изменяется сила тока в ней.

Мгновенные значения индукций магнитных полей каждой из трех катушек в произвольный момент времени t выражаются уравнениями:

Векторы A, B и C, колеблются вдоль осей симметрии обмоток статора (рис. 3.32). (На рисунке 3.32, как и на рисунке 3.31, каждая обмотка (катушка) статора показана схематически в виде одного витка. Ротор внутри статора показан в виде круга без обмотки.)

Для нахождения магнитной индукции результирующего поля проведем две взаимно перпендикулярные координатные оси Ох и Оу, направив ось Ох вдоль вектора ВA. Найдем проек-ции векторов A, B и C на координатную ось Ох:

Определим теперь проекцию на ось Ох вектора индукции результирующего поля:

To же самое с заменой синуса на косинус имеет место для проекции Вy:

Зная проекции Вx и By с помощью теоремы Пифагора найдем модуль вектора в данный момент времени t:

При t = О (в начальный момент) Вx = О, а Вy = Вm. Следовательно, в начальный момент времени направление вектора индукции результирующего магнитного поля совпадало с направлением оси Оу. Поворот вектора за время t определяется углом α:

Таким образом, при прохождении трехфазного тока по обмоткам (катушкам) статора асинхронного электродвигателя модуль вектора индукции резулътирующего магнитного поля не изменяется и равен Bm, где Bm — амплитуда индукции магнитного поля одной катушки. Сам же вектор вращается в плоскости осей катушек с угловой скоростью ω.

В рассмотренном случае вектор магнитной индукции вращается по часовой стрелке (см. рис. 3.32). Но если поменять местами два любых провода, питающих электродвигатель, то магнитное поле (вектор ) будет вращаться в противоположном направлении. Это вы можете доказать самостоятельно.

В рассмотренном примере, когда обмотка статора состоит из трех катушек, повернутых друг относительно друга на 120°, вектор вращается с угловой скоростью ω, равной циклической частоте переменного тока. Одному периоду тока соответствует один оборот магнитного поля. Но если взять, например, шесть катушек, соединить их попарно последовательно и расположить в пазах статора так, как показано на рисунке 3.33, то при прохождении по ним трехфазного тока магнитное поле будет вращаться в два раза медленнее. Это можно строго доказать. Но понять его легко из следующих простых рассуждений.

Когда обмотка статора состоит из трех катушек, они занимают всю окружность статора (360°) и вектор магнитной индукции за период поворачивается на 360°. При наличии же шести катушек они сдвинуты относительно друг друга на 60°, и комплект катушек АХ, BY, CZ занимает одну половину окружности статора (180°), а другую половину занимают катушки А’Х’, B’Y’, C’Z’. Теперь за период вектор повернется лишь на 180°, т. е. частота вращения магнитного поля оказывается равной половине частоты тока. Если число комплектов катушек статора (в комплект входит три катушки) обозначить через р, то частота вращения поля , где V — частота тока.

Таким образом, скорость вращения магнитного поля определяется числом катушек в обмотке статора, которое всегда кратно трем.

Принцип действия асинхронного электродвигателя

Вращающий момент двигателя создается силами взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и токов, индуцируемых им в роторе.

Скорость вращения ротора электродвигателя не может достигнуть скорости вращения магнитного поля. Вращающий момент, действующий на ротор, определяется силой тока (или соответствующей ЭДС), индуцируемого в роторе. А индуцируемая в роторе ЭДС определяется скоростью вращения поля по отношению к скорости вращения ротора, который вращается в ту же сторону, что и поле. Значит, если бы ротор вращался с той же скоростью, что и поле, то он находился бы в покое относительно поля, и в нем не возникала бы ЭДС индукции. В роторе не было бы тока и не мог бы возникнуть вращающий момент. Отсюда ясно, что двигатель описываемого типа может работать только при частоте вращения ротора, несколько меньшей частоты вращения поля. Поэтому такие электродвигатели в технике принято называть асинхронными*.

Читать еще:  Чип тюнинг двигателя шевроле орландо

Во время включения двигателя, когда ротор еще неподвижен, сила тока в нем значительно больше, чем при работе электродвигателя. Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, отчего частота вращения ротора нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, и сила тока в роторе быстро уменьшается.

При изменении нагрузки электродвигателя (тормозного момента на валу) изменяется и вращающий момент. Например, при увеличении нагрузки возросший тормозной момент вызывает уменьшение скорости вращения ротора. При этом возрастает относительная скорость движения проводов ротора в магнитном поле, что приводит к увеличению ЭДС и токов в роторе, и, следовательно, вращающего момента. Благодаря этому асинхронный трехфазный электродвигатель сохраняет почти постоянной частоту вращения ротора при очень ихироких колебаниях нагрузки. Регулировать частоту вращения ротора в принципе невозможно.

Само собой разумеется, что при возрастании нагрузки двигателя, т. е. отдаваемой им механической мощности, должен возрастать не только ток в роторе, но и т,ок в ст,ато-ре. В соответствии с законом сохранения энергии двигатель должен получить от сети большую электрическую мощность. Здесь происходит такой же процесс, как и при работе нагруженного трансформатора (см. § 3.3). Детали этого процесса довольно сложны, и мы их рассматривать не будем.

* От греческого слова synchronos — одновременный или согласованный во времени, частица «а» означает отрицание.

Механическая характеристика

Как основная, помогает проводить детальный анализ работы электродвигателя. Она выражает непосредственную зависимость частоты вращения самого ротора от электромагнитного момента n=f (M).


Из графика видно, что на участке 1-3 машина работает устойчиво. 3-4 — непосредственный отрезок неустойчивой работы. Идеальный холостой ход соответствует точке 1.

Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Существуют технические способы расчетов и построения механической характеристики с учетом данных паспорта.

В первоначальной точке 1 n0=60f/p (p – количество пар полюсов). Поскольку nн и Mн непосредственно координаты точки 2, расчет номинального момента производится по формуле Mн=9,55*Рн/ nн, где Рн — номинальная мощность. Значение nн указано в паспорте двигателя. В точке 3 Mкр=Mнλ. Пусковой момент в точке 4 Mпуск=Mн*λпуск (значения λ, λпуск — из паспорта).

Механическая характеристика, построенная таким образом, называется естественной. Изменяя другие параметры можно получить искусственную механическую характеристику.

Полученные результаты дают возможность проанализировать и согласовать механические свойства самого двигателя и рабочего механизма.

Расчет пускового момента

Пусковой момент, который зависит от номинального усилия на валу и кратности пускового момента, можно вычислить по формуле:

  • Мн — номинальное усилие на валу электродвигателя;
  • Кпуск.— кратность пусков, паспортная величина, которая принимает значения от 1,5 до 6.

На практике применяют другую формулу:

Необходимые данные указываются на шильдике двигателя или в паспорте, где F1 — номинальные обороты.

Р2 равна номинальной мощности в кВт, является расчетной величиной.

Для того, чтобы узнать значение Р2, следует воспользоваться формулой, в которой учитываются пусковой ток, напряжение сети, скольжение. Эти данные можно узнать в паспорте, справочнике или на сайте завода-изготовителя.

Методы измерений

Есть несколько методов произвести замер скорости скольжения двигателя. Когда скорость существенно разнится с синхронным вращением, её определяют тахометром либо тахогенератором, подключённым к валу асинхронного двигателя.

Метод определения стробоскопом с лампой неонового свет применим при скольжении меньше пяти процентов. На двигательном валу мелом рисуют отметку или ставят стробоскоп.

Подают свет от лампы и считают количество оборотов за определённый промежуток времени и, используя формулы, определяют значение.

Ещё для замера скорости скольжения применяют катушку индуктивности. Оптимальным вариантом будет катушка контактора тока постоянной величины. К ней подключают милливольтметр и помещают в окончание роторного вала.

По количеству колебаний стрелки за определённый промежуток времени с помощью формулы вычисляют скорость вращения.

Кроме того, у двигателя с ротором фазы величину скольжения определяют амперметром (магнитоэлектрическим). Прибор подсоединяют к одной из роторных фаз и по количеству стрелочных колебаний, опять-таки применяя формулу, получают результат.

Мы выяснили, что такое скольжение двигателя, способы его определения. Свои вопросы оставляйте в комментариях.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector