Трёхфазные асинхронные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначение

Асинхронная машина - это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор, вращаются с разными скоростями. Преимущества АД: простота конструкции, высокая надежность, простейшие требования к уходу, отсутствие искрящихся частей, что позволяет широко применять их в лесообрабатывающей промышленности. Трехфазные асинхронные двигатели достигают мощности 5000 кВт. При мощности до 1000 Вт двигатели выполняют и однофазными (для стиральных машин, бытовых холодильников и т.д.).

Устройство, ТАД с короткозамкнутым и фазным ротором:

Самый распространённый вид. Статор содержит корпус из любого материала, ферро-магн. сердечник - полый цилиндрический из тонких (0.35мм) листов эл. тех. стали. Сердечник имеет на внутренней поверхности равномерно распределённые по окружности продольные пазы в которые уложена обмотка статора. С торца имеются подшипниковые щиты которые крепятся к корпусу. Сбоку или сверху к корпусу крепятся вводные устройства закрытые крышкой. Основным устройством является изоляционная панель с 6-ю токопроводящими шпильками. К каждой шпильке присоед 1 провод обмотки статора. Обмотка статора состоит из 3х идентичных катушек (фаз) сдвинутых в пространстве на 120. начала и концы фаз маркируют чтоб можно было соединить звездой или треугольник.

Начала и концы выводятся на панель вводного устройства.

Способ соединения фаз зависит от номинального линейного напряжения питающей сети и номинального напряжения двигателя. На паспортной табличке которая крепится к корпусу указаны 2 номинальных напряжения двигателя через дробь. Если номинальное напряжение сети равно меньшему номинальному напряжению двигателя то обмотку следует соединить треугольником, если большему то звездой. В любом случае на каждой фазе напряжения равны меньшему значению.

Для удобства соединение фаз вводного устройства имеет вид

Ротор содержит вал на валу закреплен ферро-магн. сердечник в виде цилиндра из листов эл. тех. стали. На внешней поверхности сердечника имеются равномерно распред-е по окружности продольные пазы в которые уложена обмотка ротора. Двители делят на 2 вида- с короткозамкнутым и ротором. Обмотка фазн ротора выполняется по аналогии с обмоткой статора соединённой звездой и 3 свободных конца припаеваются к 3м медным контактным кольцам. Кольца жёстко закреплены на валу и изолированы друг от друга и от вала. На кольца накладывают неподвижные щётки с помощью которых каждую фазу ротора можно включить пусковую, либо регулировочную аппаратуру. Обмотка короткозамкнутого ротора напоминает белечье колесо. Состоит из продольных стержней из Al , с торца эти стержни соединены кольцами. На валу закреплен вентилятор который обивается защитным кожухом.

Назначение основных конструктивных элементов:

Корпус служит для охлаждения и крепления паспортной таблички, изготовляется из любого материала;

Сердечник статора из отдельных листов электротехнической стали. Он является частью магнитной системы;

Сердечник ротора состоит из отдельных листов электротехнической стали, часть электромагнитной системы;

Вводное устройство, с помощью него присоединяется двигатель к источнику питания;

Вал служит для крепления сердечника он передаёт вращающийся момент.

Возбуждение кругового - вращающегося магнитного поля обмоткой статора:

Работа АД основана на использовании вращающихся магнитных полей.

Рис. 1. Схема устройства и подключения статора трехфазного АД к сети

Создание вращающегося магнитного поля. Статор АД (рис. 1) аналогичен статору трехфазного генератора. При включении катушек такого статора в трехфазную сеть переменного тока частотой f₁ в них под действием напряжений сети будет возникать симметричная система токов , и , временная диаграмма которых показана на рис. 4.2, а. Каждая из катушек создает свою МДС (- число витков катушки). В момент времени (см. рис. 4.2, а) ток положителен в фазе АХ (), в фазах BY и CZ токи отрицательны (==), т.е. они направлены (рис. 4.3) в катушках от А к Х, от Y к B и от Z к C. Токи в катушках создают МДС , ==, направления которых в соответствии с правилом буравчика указаны на рис. 4.3, а. В результате совместного действия этих токов образуется общая МДС, причем , которая создает общий магнитный поток (силовые линии его показаны пунктиром).

Выполняя такие построения для моментов времени t₂ и t₃ (см. рис. 4.2, а), получим аналогичные картины распределения токов, МДС и потока тех же значений, но с поворотом (смещением) в пространстве соответственно на 120 и 240. Таким образом, за счет поочередного наступления максимумов тока в катушках (сдвиг во времени токов , и ) и сдвиг катушек в пространстве совокупность трех неподвижных катушек с переменными МДС образует результирующие вращающиеся МДС и магнитное поле постоянной величины.



а) б)

Рис. 2. Временная (а) и векторная (б) диаграммы ЭДС трехфазного двигателя

Особенности поля:

поле эквивалентно полю вращающегося двухполюсного магнита с полюсами N и S, поэтому внутреннюю поверхность статора можно рассматривать состоящей из двух полюсных делений (рис. 3 а);

за один период тока поле делает один оборот, т.е. каждая его точка (например, полюс N) перемещается относительно неподвижной точки статора (например, А) на длину 2. За 1 с поле сделает f₁ оборотов, т.е. частота вращения поля об/мин;

вращение поля происходит в направлении чередования токов в обмотках (, затем и ), т.е. от катушки А к катушке В и С;

для изменения направления вращения поля нужно изменить порядок следования фаз токов в катушках. Для этого изменяют порядок подключения катушек к сети (пунктир и скобки на рис. 4.1; чередование фаз токов в катушках становится от В к А и С - обратное вращение поля).

а) б) в)

Рис. 3. Образование вращающихся МДС и магнитного потока АД:

а) ; б) ; в)

2. Принцип действия ТАД

Исходное состояние: статор закреплен, вал сочленен с рабочей машиной, обмотка статора включена в трехфазную сеть. Обмотка ротора замкнута накоротко.

Принцип действия: Трехфазная симметричная система токов обмотки статора. Создает круговое вращающееся магнитное поле, частота вращения которого:

- частота напряжения источника питания,

p- кол-во пар полюсов магнитного поля.

Это магнитное поле индуцирует в проводах обмотки ротора ЭДС под действием которого(т.к. обмотка замкнута накоротко) в обмотке ротора возникает электрический ток(ток ротора). Направление ЭДС и тока можно определить по правилу правой руки. Ток ротора взаимодействует с магнитным полем, результатом чего явл. электромагнитный вращающий момент под действием которого ротор вращается, вращая рабочую машину т.о. электрическая энергия поступающая в обмотку статора преобразуется в механическую и частично(10-15%) в тепловую. Ротор вращается в том же направлении что и магнитное поле, но медленнее магнитного поля, относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением(S).

частота вращения ротора.

Двигатель общего назначения проектируют таким образом, что в режиме холостого хода скольжение близко к 0, в номинальном режиме скольжение сост. 0,02-0,10. Если на паспортной табличке указано значит что двигатель имеет 3 пары полюсов, частота вращения: 1000

т.е.

зная номинальную частоту ротора легко определить p,S,n, в отличии от двигателя постоянного тока полюсов как конструктивных частей статора в двигателе нет. Полюса только магнитные. Под полюсом понимают место на внутренней поверхности статора, откуда линии магнитной индукции выходят(северный полюсN) и куда входят(южный полюсS).

Зависимость параметров двигателя от скольжения:

ЭДС обмотки ротора, частота этой ЭДС зависят от скорости движения проводов обмотки ротора относительно магнитного поля статора наибольшие значения ЭДС и частоты состоит при неподвижном ( заторможенным ) роторе и подключены к трехфазной сети обмотки статора. Эти величины обозначим следующим образом.

Активное и индуктивное сопротивление ротора обозначим. При вращающемся роторе ЭДС, частота пропорциональна скольжению.

Активное сопротивление от частоты не зависит.

Индуктивное сопротивление зависит от частоты.

В каждую фазу обмотки ротора можно представить следующей схемой замещения.

Действующее значение тока можно определить из значения Ома.

Таким образом параметры двигателя зависят от скольжения.

S

Ток в обмотке статора пропорционален току в обмотке ротора. В режиме холостого хода (S=0) в обмотке статора имеется небольшой ток ротора. Электромагнитный вращающий момент есть результат взаимодействия тока обмотки ротора и магнитного потока создаваемого обмоткой ротора.

Учитывая, что ток переменный.

; где -сдвиг фаз между током и ЭДС обмотки ротора. При постоянстве напряжения трехфазной сети магнитный поток постоянен.

Поэтому электромагнитный момент.

Чтобы получить зависимость момента от скольжения необходимо перемножить ординаты этих кривых.

Механическая характеристика ТАД и параметры её характерных точек:

Под механической характеристикой понимают зависимость частоты вращения от момента.

И замкнутой накоротко обмоткой ротора. Эту зависимость можно получить из кривой M(S) используя формулу скольжения.



Механическая характеристика имеет 4 характерные точки по которым она обычно и строится. X -режим идеального холостого хода (М=0; ). М -соответствует номинальному режиму . К -критическая точка. П -пусковая

В паспорте двигателя указывают номинальную мощность, номинальную частоту вращения ротора, -кратность максимального момента

Номинальный момент легко найти по паспортным данным.

Свойство саморегулирования вращающегося момента:

Преобразование энергии в двигателе:

Потребляемая из сети активная мощность (рис. 4.9, б) частично расходуется при нагреве обмоток статора (потери в обмотке статора ) и магнитопровода (потери в стали статора ). Остальная мощность - электромагнитная мощность , передаваемая вращающимся магнитным полем от статора к ротору. Часть ее расходуется на нагрев обмотки ротора (потери в меди ротора ). Потерями в стали ротора можно пренебречь, так как частота перемагничивания сердечника ротора в номинальном режиме мала. Остальная часть мощности преобразуется в механическую мощность ротора . Часть последней покрывает механические потери ротора (трение в подшипниках, работа по перемещению воздуха вентилятором и т.д.). Оставшаяся часть мощности - полезная механическая мощность, передаваемая рабочей машине. КПД АД . Номинальный КПД АД составляет 0,75-0,95.

Рис. 9. Преобразование энергии в АД: а) схема передачи энергии; в) энергетическая диаграмма

Носителем мощности является магнитный поток Ф (рис. 9, а) вращающийся с угловой частотой и передающий электромагнитный момент , поэтому . Аналогично для ротора , где - угловая частота вращения ротора. С учетом этого из энергетической диаграммы получаем

, (4.8)

. (4.9)

Чем ниже частота вращения ротора (больше скольжение s), тем меньшая часть мощности , передаваемая полем, преобразуется в механическую мощность (4.9) и тем большая часть мощности (4.8) теряется на нагрев ротора (потери скольжения). Поэтому работать с большим скольжением энергетически невыгодно. Обычно и потери энергии в двигателе малы.

КПД и коэффициент мощности и их зависимость от механической мощности:

Коэффициент полезного действия. Зависимость от полезной мощности Р₂ имеет такой же характер, как и для трансформатора. Эта зависимость имеет общий характер для большинства электрических машин.

При изменении нагрузки электрической машины отдельные виды потерь изменяются по-разному: электрические потери в обмотках статора и ротора, а также добавочные потери изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки; электрические потери в щеточном контакте изменяются пропорционально току в первой степени; механические и магнитные потери остаются практически постоянными -- такими же, как при холостом ходе, если напряжение машины U и частота ее вращения n не изменяются. По этому признаку все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери , и переменные потери , которые можно приближенно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки (обычно величина потерь мала по сравнению с ). Мощность P₂, отдаваемая машиной (Р_ЭЛ в генераторах и Р_МЕХ в двигателях), пропорциональна току нагрузки I в первой степени, поэтому зависимость

КПД от тока нагрузки

()

где А, В, С -- постоянные.

Из () следует, что при изменении нагрузки электрической машины КПД ее изменяется, При холостом ходе = 0, так как полезная мощность Р₂ отсутствует. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения Р₂, но одновременно быстрее, чем Р₂, возрастают переменные потери , поэтому при некотором токе I_КР рост КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если взять производную и приравнять ее нулю, то можно получить условие максимума КПД -- имеет место при такой нагрузке, при которой = .

Обычно при проектировании электрической машины стремятся так распределить потери мощности, чтобы указанное условие выполнялось при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках 60--85% от номинальной.

При увеличении номинальной мощности относительная величина суммарных потерь уменьшается. Следовательно, должен возрастать и КПД машины. Эта закономерность проявляется во всех типах вращающихся электрических машин и в трансформаторах -- машины большей номинальной мощности всегда имеют соответственно и больший КПД, и, наоборот, КПД машин малой мощности и микромашин обычно невелик. Так, например, КПД вращающихся электрических машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92--0,96, мощностью 1--100 кВт --0,7--0,9, а микромашин --0,4--0,6.

КПД асинхронного двигателя можно определить из круговой диаграммы как отношение отрезков. Однако для получения более точных результатов рекомендуется определять КПД путем расчета отдельных видов потерь.

3. Способы пуска двигателей в ход

трёхфазный асинхронный двигатель

а) с короткозамкнутым ротором

Для двигателей с короткозамкнутым ротором в промышленных условиях используют прямой пуск, при которых обмотку статора непосредственно подключают к 3фазной сети на ном. напряжение. При этом линейный пусковой ток составляет 4-8 ном. токов (I_п=(4-8)I_ном). Однако, для двигателя такой ток не опасен, а промышленные сети на такие токи рассчитаны.

б) с фазным ротором

Для этих двигателей используют резисторный (реостатный) пуск. При этом способе в обмотку ротора включают 3фазный пусковой резистор (реостат), соединенный звездой. Затем обмотку статора подключают к 3фазной сети на ном. напряжение и по мере разгона ротора, пусковой резистор выводят, так что в конце пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Введение пускового резистора уменьшает пусковой ток и одновременно увеличивает пусковой момент.

Регулирования частоты вращения, реверсирование:

Для реверсирования двигателя достаточно изменить направление вращения м/поля. Для этого необходимо 2 любых провода, подходящих к обмотке статора поменять местами.

Частота вращения:

n =

1.Частотное регулирование(t₁=var)

Применяется чаще всего для получения частоты вращения более 3000 об/мин. Чтобы в процессе регулирования магнитный поток оставался неизменным, вместе с частотой необходимо изменять и напряжение.

При этом способе регулирования двигатель питают от специального преобразователя частоты и напряжения.

2. Ступенчатое регулирование частоты вращения изменяем число пар полюсов магнитного поля (p=var) Для станочного оборудования электомашиностроители выпускают одно-, трех-, четырех-, скоростные асинхронные двигатели. Статор 2скоростного двигателя содержит 1-у обмотку , которую можно переключить на 2 разных значения (p) (обычно в соотношении 1 к 2) статор 4скоросного двигателя содержит 2 независимые обмотки с переключением числа полюсов пар .

Рассмотренные способы для двигателей с короткозамкнутым ротором. Для двигателей с фазным ротором применяют 3 способа -резистивное(реостатное) регулировочное. Для этого в обмотку ротора включают 3фазный регулировочный резистор(реостат), по аналогии с пусковым. При этом чем больше сопротивление регулировочного резистора , тем больше становиться механическая характеристика двигателя, тем меньше частота вращения ротора.

Механическая характеристика (4) соответствует режиму Эл. Маг. Тормоза. В точке Т, скольжение

этот режим использует в подьёмно-транспортных устройствах (кран) для опускания груза. При этом ротор вращения в направлении двигателя груза, а маг поле и Эл. Маг. Момент в противоположном направлении. В результате груз опускается медленно под действием разности момента, создаваемого грузом и Эл.Маг. Момента двигателя.

Торможение:

Торможение

Применяют три способа :

- динамическое

-генераторное рекуперативное

-торможение противовключением

Динамическое для быстрой остановки двигателя .Для этого обмотку статора отключают от сети и подключают к источнику постоянного тока. Источник постоянного тока создаёт в обмотке постоянный ток, который создаёт неподвижное магнитное поле. Провода обмотки ротора при своём движений пересекают линии магнитной индукции этого поля и в этих проводах индуцируется ЭДС, которое создает ток. От взаимодействия тока в обмотке ротора с магнитным полем статора, создается электромагнитный тормозной момент, под действии которого ротор тормозится и останавливается.

Генераторное рекуперативное.

Применяют в станочном оборудовании для перехода от большей частоты вращения к меньшей. Для этого, например, увеличивают число полюсов пар полюсов магнитного поля. В результате частота магнитного поля становится меньше частоты вращения ротора. Электромагнитный момент изменяет своё направление и ротор тормозится, а машина работает в режиме генератора. Когда частота вращения ротора сравняется с частотой вращения магнитного поля, машина вновь переходит в двигательный режим, и в новом режиме ротор двигателя будет вращаться с меньшей частотой вращения.

Торможение противовключением.

Для экстренной остановки двигателя, два провода, подходящих к обмотке статора с помощью специальной аппаратуры меняют местами, следовательно, магнитное поле изменяет направление вращения, изменяет направление и электромагнитный момент, следовательно ротор тормозится. Если в момент остановки ротора двигатель не будет отключен от сети, то произойдет реверсирования двигателя.

Особенности двигателей с повышенным пусковым моментом и многоскоростных:

Стремление повысить пусковой момент короткозамкнутых асинхронных двигателей без увеличения активного сопротивления обмотки статора (а следовательно, и потерь энергии в нём) привело к появлению специальных конструкций двигателей, называемых двигателями с повышенным пусковым моментом. К ним относятся двигатели с двоичной беличьей клеткой и с ротором, имеющим глубокие пазы (глубокопазные двигатели).

Паспортные данные двигателей, определение схемы соединения обмотки статора по паспортным данным и напряжению сети:

На паспортной табличке указывают 2 ном. напряжения двигателя U_м/U_б; (220/380В). Если ном. напряжение сети = меньшему ном. напряжению двигателя, то обмотку соединяют ?, иначе Y. В том и другом случае на каждой фазе двигателя напряжение = меньшему значению.

Для удобства соединения фаз, панель вводного устройства имеет следующий вид.

В каталоге для двигателей с короткозамкнутым ротором указаны: номинальная мощность (механическая, отдаваемая на валу), номинальное число оборотов , частота сети, номинальный КПД , номинальный , схема соединения статора, номинальное линейное напряжение и номинальный линейный ток , потребляемый из сети, кратность максимального и пускового моментов, кратность пускового тока . Часто в каталогах приводится график механической характеристики. Для фазного двигателя вместо двух последних величин задаются линейное напряжение на кольцах неподвижного разомкнутого ротора и номинальный линейный ток ротора . По этим данным можно определить: активную мощность, потребляемую двигателем как трехфазным приемником из сети,

,

полную мощность

,

реактивную мощность

.

Литература:

1. Теоретические основы электротехники. В 3т. Т.2 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. СПб., 2006.

2. Зевеке, Г.В. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В.Страхов. М., 1989.

3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи / Л.А. Бессонов. М., 2006.

4. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. - М.: Высш. шк., 1981.

5. Толстов Ю.Г. Теория линейных электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1986.

6. Атабеков, Г.И. Основы теории цепей / Г.И.Атабеков. СПб., 2006.

7. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1987.

8. Беляцкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радиосвязь, 1986.

10. Попов В.П. Основы теории. - М.: Высш. шк., 1985.

11. Батура М.П., Кузнецов А.П., Курулёв А.П. Теория электрических цепей. Учебник. 2-е изд., исп. - Мн.: Вышэйшая школа. 2007.

12. Бакалов, В.П. Основы теории цепей / В.П. Бакалов, В.Ф. Дмитриков, Б.И. Крук. М., 2000.

13. Запасный, А.И. Основы теории цепей / А.И. Запасный. М., 2006.

14. Касаткин, А.С. Электротехника / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. М., 2000.

15. Коровкин, Н.В. Теоретические основы электротехники: Сборник задач / Н.В. Коровкин [и др.]. СПб., 2006.

16. Ломоносов, В.Ю. Электротехника / В.Ю. Ломоносов. М., 1990.

17. Мурзен, Ю.М. Электротехника / Ю.М. Мурзен, Ю.И. Волков. Питер, 2007.

18. Новогородцев, А.Б. Теоретические основы электротехники / А.Б. Новогородцев. Питер, 2006.

19. Рекус, Г.Г. Основы электротехники и электроники в задачах и решениях / Г.Г. Рекус. М., 2005.

Размещено на Allbest.ru