2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В каких пределах изменяется скольжение асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели. Конструкция, принцип действия

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором , и вращающуюся часть, называемую ротором . В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 4.

Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n2 в направлении вращения поля статора.


Рис. 4
Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n1.
В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке.
Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки.
Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 4.

Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n2 меньше частоты вращения поля статора n1.
Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.

. (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 двигателя с отановленным ротором 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

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 (1) получим

(3)

Скорость поля статора относительно ротора называется скоростью скольжения.

.

Частота тока и ЭДС в роторной обмотке

,

. (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

(5)

Ток ротора работающей машины

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

где х— индуктивное сопротивление заторможенного ротора.

конструктив асинхронного двигателя вентилятора

Форум YourDevice

ЗАПИСНАЯ КНИЖКА ИНЖЕНЕРА

Момент и скольжение. Управление моментом и скольжением.

Момент и скольжение. Управление моментом и скольжением.

Сообщение admin » 09 апр 2012, 10:16

Современные частотные преобразователи обладают множеством функций, необходимость наличия которых в некоторых случаях обязательна, в некоторых является приятным дополнением. Частотные преобразователи могут непосредственно управлять характеристиками асинхронного двигателя, улучшая качество работы самого двигателя, за счёт компенсации недостатков обусловленных самой теорией электродвигателя. Рассмотрим две важнейшие, связанные между собой, характеристики асинхронного электродвигателя момент и скольжение.

Из механики известно, опустим векторные составляющие, что под моментом понимается сила, приложенная на рычаг, аналогично описывается и вращающийся момент. Значит, двигатель должен на своём валу развивать определённый момент для противодействия внешней силы. Если величина внешнего момента постоянна, то и асинхронному двигателю ,вне зависимости от частоты вращения нужно поддерживать постоянный момент на валу, т.е его электромагнитный момент должен быть постоянен.. Например, для различных подъёмных механизмов.Из теории электропривода известно, что электромагнитный момент асинхронного двигателя прямопропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален частоте вращения. Электромагнитный момент в установившимся режиме асинхронного двигателя равен механическому( моменту на валу двигателя) . Частотный преобразователь способен по любому запрограммированному закону менять частоту и амплитуду поданного на двигатель напряжения. Следовательно, он может управлять моментом на валу электродвигателя в зависимости от заданной характеристики. Для скалярного управления ( о векторном и скалярном управлении есть отдельный материал) существуют два основных закона управления моментом U/F=const, с помощью этого закона поддерживается максимальный момент на валу практически во всём диапазоне оборотов,

Читать еще:  Двигатель 406 карбюратор не заводиться на газу

закон с уменьшающимся моментом, актуальный для приводов с вентиляторной нагрузкой( насосы вентиляторы). Когда речь идёт о векторном управлении, можем говорить о прямом управлении моментом, можно поддерживать постоянный заданный момент на валу, при скалярном управлении, характеристика U/F =const, может поддерживать только максимальный момент на валу. Поддержание постоянного момента во всём диапазоне необходимо для систем с ремёнными передачами, конвейеров, подъёмных механизмах.

Как частотный преобразователь с векторным управлением управляет моментом?
При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

n – скорость вращения ротора и вала электродвигателя. Скорость вращения магнитного поля определяется числом полюсов асинхронного электродвигателя( под полюсом условно понимаем число обмоток расположенных в статоре) и поданной частоты .. Пока двигатель остановлен, скольжение равно единице. Если двигатель пускается прямым пуском( без частотного регулирования и плавного пуска), момент на валу в начальный точку пуска будет максимальным. С ростом оборотов скольжение будет уменьшаться и при режиме холостого хода достигнет значений 0.002-0.007, а в работе под нагрузкой 0.2-0.5, т.е . при увеличении внешней нагрузки (тормозящего момента на валу) скольжение увеличивается, что позволяет скомпенсировать недостаток момента. Из вышесказанного следует, что две характеристики двигателя момент и скольжение тесно связаны сдруг другом. Часто в характеристиках частотных преобразователей указывается способность преобразователя компенсировать скольжение, т.е. сделать его постоянным вне зависимости от приложенного тормозящего момента на валу электродвигателя. Это важно для высокоточного поддержания скорости для сервоприводов, станков, ряда конвейеров. Если рассмотреть связь основных характеристик двигателя, как момент, скольжение, частота вращения и поданное на двигатель напряжение, из теории двигателей можно записать пропорцию

где М – электромагнитный момент двигателя, S-скольжение, U- поданное на двигатель напряжение, f – частота питающей сети( частота выдаваемая частотным преобразователем). Из формулы видно, что существует зависимость между моментом и скольжением M

S, и также есть чёткая зависимость момента и скольжения от поданного напряжения определённой частоты. Т.е воздействовать на момент или скольжение частотный преобразователь может изменяя скважность ШИМ сигнала, которая отвечает за действующую амплитуду напряжения и периода работы различных плеч выходных транзисторов, а имея обратную связь по скорости вращения, в векторном режиме, вычисляя потокосцепление, или устанавливая энкодер (счётчик оборотов) на вал двигателя, можем с высокой точностью поддерживать скольжение и управлять моментом.

ВУЗРУ

«Научные статьи, доклады, лекции, эссе преподавателей и студентов России»

Основные понятия и особенности асинхронного двигателя

Из-за своей конструктивной особенности асинхронный двигатель лишен некоторых недостатков, которые характерны для машин постоянного тока. Так как коллектор и щетки в асинхронном короткозамкнутом двигателе отсутствуют, двигателю характерны большая предельная единичная мощность, более высокая перегрузочная способность,более высокие скорости вращения и допустимую скорость изменения момента, лучшие массогабаритные показатели, чем машины постоянного тока. Однако основной проблемой асинхронной машины является пуск и управление.

1.1 Проблема запуска асинхронного двигателя

Пусковые свойства асинхронноймашиныхарактеризуются зависимостью вращающего момента и токов от частоты вращения. Эта зависимость определяет такие показатели какпотери энергии в обмотках, длительность пуска, а так же нагрев двигателя. Для уменьшения потерь энергии в обмотках двигателя и их нагрева и времени пуска стараются увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Пусковой ток не должен быть выше определённых значений для данной сети, большие токи при запуске мощных асинхронных машин может вызвать большиеколебания напряжения в сети, а это в свою очередь негативно скажетсяне только на условия пуска самогоэлектропривода, но и на устойчивость работы других потребителей, подключенных к сети. Кроме того при некоторых неблагоприятных условиях, если падения напряжения будут значительны,пуск двигателя может оказаться вообще невозможным.

Большие пусковые токи могут создавать опасные электродинамические усилия в лобовых частях обмотки статора и стержнях беличьей клетки. Возникающие при переходных процессах электромагнитные переходные моменты, при запуске могут достигать десяти или даже пятнадцатикратных значений статического начального пускового момента, что в совокупности с предельным температурным напряжением ограничивают сроки эксплуатации асинхронных машин и может привести к перегоранию обмоток статора.

Рисунок 1.1–Изменение тока и напряжения сети при пуске асинхронного двигателя

В первый момент пуска, в обмотке ротора вследствие большой частоты индуктируется ЭДС такой величины, что пусковой ток в 5…7 раз больше номинального значения (рисунок 1.1). Однако коэффициент мощности цепи ротора при пуске мал и поэтому пусковой вращающий момент АД не превышает, как правило, 0,9…1,2 от номинального.

Читать еще:  Yx 160cc двигатель характеристики

1.2 Обзор вариантов пуска асинхронного двигателя

Основная проблема запуска асинхронного двигателя заключается в том, что запуск сопровождается огромными пусковыми токамиIпуск=5…7Iн. Причина заключается в следующем. Асинхронный двигатель аналогичен по принципу преобразования электрической энергии трансформатору. Следовательно, частота питающей сети и частота ЭДС ротора в начальный момент времени одинаковы. ЭДС ротора можно определить по формуле:

Где,f – частота напряжения;

Ф – магнитный поток;

к2– конструктивный коэффициент.

Как видно из формулы 1.1 напряжение на роторе пропорционально частоте. Так как двигатель асинхронный, это означает, что скорость вращения поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Для оценки данного расхождения в скоростях введено скольжение. На основе скольжения в дальнейшем будут приводиться оценки величины напряжений и частоты.

Формула для скольжения:

Где, n0– скорость вращения поля статора;

n –скорость вращения ротора;

Выведем связь между скольжением и частотой напряжения ротора. Для этого необходимо ввести промежуточную величину, характеризующую частоту вращения магнитного поля относительно частоты вращающегося ротора.

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

Где, f– частота питающей сети;

Как можно понять, скольжение изменяется в пределах от нуля до единицы. Номинальный режим работы асинхронного двигателя составляет(2÷5)%. В данном диапазоне практически исчезают пульсации момента. Следовательно, для равномерного распределения момента при разгоне скольжение должно составлять не более S=0.1. Это достигается тем, что частота питающей сети нарастает равномерно.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора (рисунок 1.2).Такой пуск называется прямым.

Рисунок 1.2– Принципиальная схема прямого пуска двигателя

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно больше, чем во вторичной цепи. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы.В двигателе с короткозамкнутым ротором активно-индуктивное сопротивление цепи ротора незначительное. В начальный момент времени, из-за максимальной частоты в цепи ротора двигателя, величина ЭДС ротора будет максимальной, а значит и ток цепи ротора будет максимальный. Из равенства мощностей обмоток трансформатора можно предположить, что раз ток ротора максимальный, то и ток статора так же будет максимальным.

Для борьбы с этим явлением, в двигателях с короткозамкнутым ротором в цепь статора вводят реостаты для понижения питающей сети.

Рисунок 1.3– Пусковые токи при прямом пуске двигателя

Как видно из рисунка 1.3, в нашем случае, без приведенных способов уменьшения входного тока, пусковой ток превышает номинальный больше чем в 10 раз.

Ниже, на рисунке 1.4, представлены осциллограммы поочередного прямого пуска асинхронных двигателей различной мощности (от 45 до 75кВт). На осциллограммах отчетливо видно превышающие пусковые токи. Кроме того, заметна ярко выраженная асимметрия питания.

Для высокомощных двигателей такой режим пуска может быть критичен, так как высокие пусковые токи могут привести к перегреву обмотки статора и выводу ее из строя. Так как пусковой момент, как видно из рисунка, нестабильный, что в свою очередь может привести к биениям двигателя. Для двигателей, мощностью больше 100кВт, такие пульсации момента могут оказаться критическими, так как они могут привести к механическим повреждениям двигателя, и устройств соединенных механически с двигателем, таким как, например, поломка подшипников.

При использовании методов пуска, в частности введение реостатов в цепи ротора или статора, существенно снижается кпд, т.к. потребляемый ток не производит полезной мощности, а нагревает реостаты. Это существенные потери, которые особенно проявляются при использовании особо мощных двигателей.

С появлением современных силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров появилась возможность изготовлять различные силовые электронные преобразователи электрической энергии, с помощью которых возможно изменять амплитуду напряжения и частоту. Что позволило, в свою очередь, плавно изменять ток статора.

В зависимости от нужного качества пусковых характеристик, мощности и стоимости различают два основных метода плавного пуска: амплитудный и частотный.

Рисунок 1.4 – Осциллограммы прямого пуска различных асинхронных машин

Запуск двигателя с плавным нарастанием ЭДС питающей сети, при неизменной частоте питающей сети. Схема представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Схема амплитудного пуска «softstart»

На рисунке 1.6 представлен результат моделирования при амплитудном пуске.

Рисунок 1.6 – Осциллограмма амплитудного пуска

На данном рисунке мы видим, что теперь ток превышает номинальный не значительно. Нарастание скорости не линейное. Момент двигателя без пульсаций, но не линейный и зависит от скорости вращения ротора. Момент на валу двигателя подчиняется закону:

Где,с– конструктивный коэффициент;

ψ2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора;

cos ψ2 – активная составляющая тока ротора.

Скорость вращения магнитного поля:

Как видно из формулы с увеличением тока ротора момент увеличивается. Так как асинхронный двигатель можно представить как трансформатор, в котором в обязательном порядке соблюдается баланс мощностей на входе и выходе, то при увеличении тока статора будет так же увеличиваться ток ротора, а следовательно будет увеличиваться момент.

Читать еще:  Греется двигатель при больших оборотах ваз 2114

Из выше приведенных формул и выводов можно предположить, что если мы будем регулировать не только амплитуду, но и частоту пит.сети, то распределение момента будет почти не зависеть от увеличения скорости вращения ротора. Действительно в начальный момент времени, частота ЭДС ротора равна частоте питающейсети. С увеличением частоты питающей сети, пропорционально будет увеличиваться скорость вращения вала двигателя, следовательно частота ЭДС ротора останется не изменой, а значит останется постоянной ЭДС ротора, что в свою очередь приведет к неизменному току цепи ротора. На рисунке 1.7 приведен частотный пуск двигателя.

Рисунок 1.7 – Осциллограмма частотного пуска

Как видно из рисунка скорость нарастания почти постоянная. Момент на валу имеет не большие пульсации.

Краткие теоретические сведения. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором находят широкое применение в

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором находят широкое применение в приводах различных промышленных механизмов благодаря простоте их конструкции, надежности в эксплуатации, высоким энергетическим показателям и сравнительно низкой стоимости.

Момент электромагнитный, развиваемый асинхронным двигателем определяется выражением:

, (1)

где UФ – действующее значение фазного напряжения сети, В;

R1, R`2 – активные сопротивления обмоток соответственно фазы статора и фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

X1, X`2 – индуктивные сопротивления обмоток соответственно фазы статора и фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

Xk – индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания, Ом;

s – скольжение двигателя;

w – угловая скорость поля двигателя, рад/с.

Индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания

. (2)

Скольжение двигателя – это относительный параметр, характеризующий отставание или опережение скорости вала двигателя скорости поля по отношению к скорости поля:

. (3)

Угловая скорость поля

, (4)

где f – частота напряжения питающей сети, Гц;

р – число пар полюсов двигателя.

Номинальную угловую скорость двигателя можно определить зная номинальную частоту вращения nНОМ [об/мин] по выражению:

. (5)

Номинальное скольжение двигателя

. (6)

Статическую механическую характеристику АД w = f(М) (здесь М – момент электромагнитный) можно построить используя формулу (1) и уравнение связи между угловой скоростью вала двигателя и скольжением:

. (7)

С учетом того, что момент электромагнитный по формуле (1) имеет экстремум (критическое значение), то возможна и другая форма записи зависимости М = f(s), называемая формулой Клосса:

, (8)

где Мk – максимальное (критическое) значение момента, Н×м;

sk – критическое скольжение, соответствующее Мk;

Момент критический и скольжение критическое определяются выражениями:

, (9)

. (10)

Для асинхронных двигателей большой мощности (Р2НОМ > 100 кВт) сопротивление R1 невелико, тогда можно считать что R1

Статическую электромеханическую характеристику асинхронного двигателя w = f(I1) можно рассчитать используя приближенную формулу, предложенную В.А. Шубенко – зависимость I1 = f(s) и формулу связи угловой скорости и скольжения двигателя (42). Формула В.А. Шубенко имеет вид:

, (13)

где I1 – ток фазы статора, А;

I1НОМ – номинальный ток фазы статора двигателя, А;

I – ток холостого хода двигателя, А;

М, МНОМ – момент двигателя при скольжении s, который определяется при расчете механической характеристики, и номинальный момент двигателя соответственно, Н×м;

s, sНОМ – скольжение двигателя текущее и номинальное соответственно.

Номинальный ток статора и ток холостого хода можно определить по каталожным данным асинхронного двигателя по следующим формулам:

, (14)

. (15)

На рисунке 7 представлен примерный вид статической механической характеристики асинхронного электродвигателя, рассчитанной по формулам (42), (43).

Рисунок 7 – Статическая механическая характеристика АД

На рисунке 8 представлена статическая электромеханическая характеристика асинхронного электродвигателя w = f(I1), рассчитанная по формулам (42), (48), (49), (50).

Рисунок 8 – Статическая электромеханическая характеристика АД

Контрольные вопросы

1. Что показывает статическая механическая характеристика асинхронного двигателя?

2. Что такое естественная механическая характеристика? В чем разница между естественной и искусственной механической характеристикой?

3. Записать выражение естественной механической характеристики асинхронного двигателя и проанализировать его.

4. В чем разница между моментом электромагнитным и моментом на валу двигателя? Как они соотносятся, например, в двигательном режиме работы?

5. Как изменится механическая характеристика асинхронного двигателя, если напряжение, подводимое к статору, уменьшить в два раза? Начертить эти характеристики.

6. В каких квадрантах плоскости изображают статические характеристики в тормозных режимах работы (генераторное торможение, торможение противовключением)? Начертить эти характеристики.

7. Пояснить работу универсального лабораторного стенда при работе исследуемого двигателя в двигательном режиме.

8. Пояснить принцип создания регулируемой нагрузки на валу исследуемого двигателя в универсальном лабораторном стенде.

9. Пояснить процессы преобразования энергии в электромашинном агрегате при работе исследуемого двигателя в режиме генераторного торможения.

10. Начертить электромеханическую и механическую характеристики асинхронного двигателя. На характеристиках указать пусковой ток и пусковой момент. Почему кратность пускового тока велика, а пускового момента нет?

11. Что такое критический момент и критическое скольжение? От каких параметров двигателя и питающей сети они зависят?

12. Показать на статической механической характеристике рабочий участок. Почему он так называется?

Рекомендуемая литература

1. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 416 с.: ил.

2. Основы автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов/ М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. – 568с.: ил.

3. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов / Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. – М.: Энергия, 1979. – 616с.: ил.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector