Аналіз механічної характеристики асинхронного двигуна. Механічна характеристика двигуна. Режими роботи асинхронного електродвигуна

лекція 3

Асинхронні двигуни отримали в промисловості дуже широке застосування завдяки ряду істотних переваг в порівнянні з іншими типами двигунів. Асинхронний двигун простий і надійний в експлуатації, так як не має колектора; асинхронні двигуни дешевше і значно легше двигунів постійного струму.

Для виведення рівняння механічної характеристики асинхронного двигуна можна скористатися спрощеною схемою заміщення, наведеної на рис. 3.1, де прийняті наступні позначення:

Uф - первинне фазна напруга; I 1 - фазний струм статора; I / 2 - наведений струм ротора; X 1 і Х "2 - первинне і вторинне наведені реактивні опори розсіювання; Rо і Х 0 - активний і реактивний опори контуру намагнічування; s \u003d\u003d (w 0 - w) / w 0 - ковзання двигуна; w 0 \u003d 2pn 0/60 - синхронна кутова швидкість двигуна; w 0 \u003d 2pf 1 / p; R 1 і R / 2 - первинне і вторинне наведені активні опори; f 1 - частота мережі; р - число пар полюсів.

Мал. 3.1 Спрощена схема заміщення асинхронного двигуна.

Відповідно до наведеної схемою заміщення можна отримати вираз для вторинного струму

(2.1)

Момент асинхронного двигуна може бути визначений з виразу втрат Mw 0 s \u003d 3 (I / 2) 2 R / 2, звідки

(2.2)

Підставляючи значення струму I / 2 в (2.1), отримуємо:

(2.3)

крива моменту М \u003d f (s) має два максимуми: один - в генераторному режимі, інший - в руховому 1.

прирівнюючи dM / ds \u003d 0, визначаємо значення критичного ковзання Sg, при якому двигун розвиває максимальний (критичний) момент

(2.4)

При значних опорах роторному ланцюзі максимум моменту може виявитися в режимі гальмування противовключением.

Підставляючи значення Sк в (3.3), знаходимо вираз для максимального моменту

(2.5)

Знак «+» в равенствах (2.4) і (2.5) відноситься до рухового режиму (або гальмування противовключением), знак «-» - до генераторного режиму роботи паралельно з мережею (при w\u003e w 0)

Якщо вираз (2.3) розділити на (2.5) і зробити відповідні перетворення,

Мал. 3.2 Механічні характеристики асинхронного двигуна.

то можна отримати:

(2.6)

де Мк - максимальний момент двигуна; S К - критичне ковзання, що відповідає максимальному моменту; а\u003d R 1 / R / 2 .

Тут слід підкреслити дуже важливе для практики обстоятельство- вплив зміни напруги мережі на механічні характеристики асинхронного двигуна. Як видно з (3.3), при цьому ковзанні момент двигуна пропорційний квадрату напруги, тому двигун цього типу чутливий до коливань напруги мережі.

Критичне ковзання і кутова швидкість ідеального холостого ходу не залежать від напруги.

На рис. 3.2 приведена механічна характеристика асинхронного двигуна. Її характерні точки:

1) s \u003d 0; М \u003d 0, при цьому швидкість двигуна дорівнює синхронної;

2) s \u003d s НОМ; М \u003d М ном що відповідає номінальній швидкості і номінального моменту;

3) s \u003d\u003d sk; M == М макс - максимальний момент в руховому режимі;

Початковий пусковий момент;

5) s \u003d - s K; M \u003d M К.Г. - максимальний момент в генераторному режимі роботи паралельно з мережею.

При s\u003e 1,0 двигун працює в режимі гальмування противовключением, при s< 0 имеет место генераторный режим работы параллельно с сетью.

Необхідно підкреслити, що абсолютні значення S k в руховому і генераторному паралельно з мережею режимах однакові

Однак з (2.6) випливає, що максимальні моменти в руховому і генераторному режимах різні. У генераторному режимі роботи паралельно з мережею максимальний момент за абсолютним значенням більше, що випливає з співвідношення

Якщо в рівнянні (2.6) знехтувати активним опором статора, то вийде формула, більш зручна для розрахунків:

(2.7)

Підставивши у вираз (2.7) замість поточних значень М і s їх номінальні значення і позначивши кратність максимального моменту М К / М НОМ, через l, отримаємо:

В останньому виразі перед коренем слід брати знак «+».

Аналіз формули (2.6) показує, що при s\u003e s до (неробоча частина характеристики) вийде рівняння гіперболи, якщо вцьому випадку знехтувати другим членам знаменника в рівнянь (3.6), т. Е.

Ця частина характеристики практично відповідає лише пусковим і гальмівним режимам.

При малих значеннях ковзання (s< s k) для М \u003d F (s) вийде рівняння прямої, якщо знехтувати першим членом в знаменнику (3.6):

Ця лінійна частина характеристики є її робочою частиною, на якій двигун зазвичай працює в сталому режимі. На цій же частині характеристики знаходяться точки, відповідні номінальним даними двигуна: М НОМ, I НОМ, n НОМ, s НОМ.

Статична падіння (перепад) швидкості в відносних одиницях на природній механічній характеристиці асинхронного двигуна при номінальному моменті визначається його номінальним ковзанням.

Номінальне ковзання залежить від опору ротора. Найменшим номінальним ковзанням при однаковій потужності і числі полюсів мають зазвичай двигуни з короткозамкненим ротором нормального виконання. У цих двигунів в силу конструктивних особливостей опір ротора має відносно невелике значення, що веде до зменшення значень критичного ковзання s k (3.4) і номінального ковзання s НОМ. З тих же причин при збільшенні потужності двигуна зменшується його номінальне ковзання і зростає жорсткість природної характеристики. Останнє ілюструється кривою рис. 11, побудованої за середніми даними для двигунів різної потужності.

Максимальний момент, як це видно з (3.5), не залежить від активного опору ротора R 2 , критичне ж ковзання згідно (3.4) збільшується в міру збільшення опору ротора. Внаслідок цього у двигунів з фазним ротором при введенні резисторів в ланцюг ротора максимум кривої моменту зміщується в бік великих ковзанні.

Значення опору R 2, необхідне для побудови природної та реостатних характеристик двигуна з фазним ротором, визначається з виразу

де Е 2к, I 2НОМ - лінійна напруга при нерухомому роторі і номінальний струм ротора.

На рис. 12 приведено сімейство реостатних характеристик в руховому режимі в координатних осях Мі зі для різних значень опорів роторному ланцюзі. З відомим наближенням реостатні характеристики в робочій їх частини можуть бути прийняті лінійними. Це дає можливість при розрахунку опорів резисторів, що включаються в роторну ланцюг асинхронного двигуна, користуватися методами, аналогічними методам, застосовуваним

Мал. 11. Крива номінального Рис. 12 Природна і реостатні механічні

ковзання для асинхронних характеристики асинхронного двигуна з фаз-

двигунів різної потужності. вим ротором

для розрахунку опору кола якоря двигуна постійного струму незалежного збудження. Деяка неточність в визначення опору резистора вноситься при цьому за рахунок того, що характеристика асинхронного двигуна на ділянці графіка від М \u003d 0 до максимального моменту при пуску вважається лінійної.

Більш точним є метод, коли випрямлення характеристик проводиться на меншій ділянці. Кратність максимального моменту l \u003d М К.Д. / М ном повинна бути у двигунів нормального виконання з фазним ротором не нижче 1,8, а у двигунів з короткозамкненим ротором не нижче 1,7. Кранові двигуни відрізняються більш високою кратністю максимального моменту. Наприклад, для двигунів з короткозамкненим ротором серії МТК l \u003d 2,3¸3,4.

Двигуни з фазним ротором згаданих серій мають приблизно ті ж величини l .

Для двигунів з короткозамкненим ротором істотне значення з точки зору електроприводу мають кратності початкового пускового моменту і початкового пускового струму.

На рис. 13 представлені приблизні природні характеристики двигуна з нормальним короткозамкненим ротором, що має круглі пази. Ці характеристики показують, що двигун з короткозамкненим ротором, споживаючи з мережі досить великий струм, має порівняно

Мал. 13. Характеристики зі \u003d \u003d F (M) і та \u003d\u003d Д (/) для асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором з круглими пазами.

низький початковий пусковий момент. Кратність початкового пускового моменту двигунів

а для кранових двигунів

Кратність пускового струму

Відсутність пропорційності між моментом двигуна і струмом статора під час пуску (рис. 13) пояснюється значним зниженням магнітного потоку двигуна, а також зменшенням коефіцієнта потужності вторинної ланцюга при пуску.

Момент асинхронного двигуна, як і будь-якої електричної машини, пропорційний магнітному потоку Ф і активною складовою вторинного струму

(2.8)

При збільшенні ковзання зростає ЕРС ротора Е 2 \u003d Е 2К s , зростає струм ротора I / 2 відповідно до (3.1), асимптотично прагнучи до деякого граничного значення, a cos y 2 з ростом s зменшується (на робочому ділянці характеристики дуже мало), асимптотично прагнучи до нуля при s ® ¥. Потік двигуна також не залишається незмінним, зменшуючись при зростанні струму через падіння напруги на опорах обмотки статора. Все це і обумовлює відсутність пропорційності між струмом і моментом двигуна.

Для підвищення початкового пускового моменту і зниження пускового струму застосовуються двигуни з короткозамкненим ротором спеціальних конструкцій. Ротори електродвигунів мають дві клітини, розташовані концентрично, або глибокі пави з високими і вузькими стрижнями. Опір ротора цих двигунів в пусковий

Мал. 14. Механічні характеристики асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором з провалом при малих кутових швидкостях.

період значно більше, ніж при номінальній швидкості, внаслідок поверхневого ефекту, обумовленого підвищеною частотою струму в роторі при великих ковзаннях. Тому при переході до двигунів з глибоким пазом або подвійною обмоткою ротора істотно збільшується кратність пускового моменту (збільшується cos y 2 потік) і знижується кратність пускового струму. Правда, в цьому випадку дещо зменшуються коефіцієнт потужності і ККД, відповідні номінальному навантаженні.

Необхідно відзначити, що у двигунів з короткозамкненим ротором пускової момент практично не завжди є найменшим значенням моменту в області рухового режиму. Як видно з рис. 14, механічна характеристика двигуна з короткозамкненим ротором іноді при малих кутових швидкостях має провал, викликаний впливом вищих гармонік Зубцову полів. Цю обставину слід враховувати при пуску двигуна під навантаженням.

У двигунів з фазним ротором початковий пусковий момент збільшується в міру зростання до певних меж опору резистора (рис. 12), а пусковий струм при збільшенні опору зменшується. Початковий пусковий момент може бути доведений до максимального моменту. З подальшим зростанням опору роторної ланцюга збільшення cos y 2 компенсує зменшення струму ротора і пусковий момент зменшується.

механічні характеристики

асинхронного двигуна в гальмових режимах

У § 3.7 були розглянуті механічні характеристики асинхронної машини, що працює в руховому режимі. Однак асинхронний двигун може працювати і в гальмівних режимах: при гальмуванні з віддачею енергії в мережу, при гальмуванні противовключением і при динамічному гальмуванні.

1. Гальмування з віддачею енергії в мережу (Генераторний режим роботи

Мал. 15. Механічні характеристики асинхронного двигуна для різних режимів роботи.

паралельно з мережею) можливо при швидкості вище синхронної. Механічні характеристики асинхронного двигуна в координатах М і w) представлені на рис. 15. У квадраті 1 розташовані ділянки характеристик рухового режиму для трьох різних опорів роторному ланцюзі. У міру наближення швидкості двигуна до швидкості ідеального холостого ходу, або синхронної швидкості, момент двигуна наближається до нуля.

При подальшому збільшенні кутової швидкості під впливом зовнішнього моменту, коли w\u003e w 0, двигун працює в режимі генератора паралельно з мережею, якій він може віддавати електричну енергію, споживаючи при цьому реактивну потужність для збудження. Гальмування з віддачею енергії в мережу відповідають ділянки характеристик, розташовані у верхній частині квадранта 2. У цьому режимі, як видно з (3.5), максимальний момент має більше значення, ніж в руховому. Режим гальмування з віддачею енергії в мережу застосовується практично для двигунів з перемиканням полюсів, а також для приводів вантаже піднімальних машин (підйомники, екскаватори і т. П.) І в деяких інших випадках.

2. Гальмування противовключением має значно більше застосування на практиці. Режим гальмування противовключением може бути отриманий, так само як і для двигуна постійного струму, при рушійний момент навантаження Мс > М П (Рис. 15). Для обмеження струму і отримання відповідного моменту необхідно при використанні двигуна з фазним ротором в його роторну ланцюг включити додатковий резистор. Сталому режиму при гальмуванні противовключением відповідає, наприклад, точка - w УСТ, М С на характеристиці (рис. 15).

Механічна характеристика для Rp 1 в режимі гальмування протівоаключеніем і М З \u003d\u003d const не забезпечує стійкої роботи. Гальмування противовключением може бути отримано також шляхом перемикання на ходу двох фаз обмотки статора, що веде до зміни напрямку обертання магнітного поля (перехід з точки А в ціль В на рис. 16). Ротор при цьому обертається проти напрямку руху поля і поступово сповільнюється. Коли кутова швидкість спаде до нуля (точка С на рис. 16), двигун потрібно відключити від мережі, інакше він може знову перейти в руховий режим, причому ротор його буде обертатися в напрямку, протилежному попередньому (точка D).

3. Динамічне гальмування асинхронного двигуна здійснюється зазвичай включенням обмотки статора на мережу постійного струму; обмотка ротора при цьому замикається на зовнішні резистори. Для переходу з рухового режиму в режим динамічного гальмування контактор К1 (Рис. 17) відключає статор від мережі змінного струму, а контактор К2 приєднує обмотку статора до мережі постійного струму. Для обмеження струму і отримання різних гальмівних характеристик в ланцюзі ротора передбачені зовнішні резистори.

Проходячи по обмотці статора, постійний струм утворює нерухоме поле, основна хвиля якого дає синусоидальное розподіл індукції. У роторі виникає змінний струм, що створює своє поле, яке

також нерухомо щодо статора. В результаті взаємодії сумарного магнітного потоку зі струмом ротора виникає гальмівний момент, який залежить від МДС статора, опору ротора і кутової швидкості двигуна. Механічні характеристики для цього режиму наведені в нижній частині квадранта 2 (див. Рис. 15). Вони проходять через початок координат, так як при кутовий швидкості, що дорівнює нулю, гальмівний момент в цьому режимі також дорівнює нулю. Максимальний момент пропорційний квадрату прикладеної до статора напруги 1 і зростає з ростом напруги. Критичне ковзання залежить від

Рис 16. Механічні харак- Рис. 17 Схема включення

Механічною характеристикою двигуна називається залежність частоти обертання ротора від моменту на валу n \u003d f (M2). Так як при навантаженні момент холостого ходу малий, то M2 ≈ M і механічна характеристика видається залежністю n \u003d f (M). Якщо врахувати взаємозв'язок s \u003d (n1 - n) / n1, то механічну характеристику можна отримати, подавши її графічну залежність в координатах n і М (рис. 1).

Мал. 1. Механічна характеристика асинхронного двигуна

Природна механічна характеристика асинхронного двигуна відповідає основній (паспортної) схемою його включення і номінальним параметрам напруги живлення. штучні характеристикивиходять, якщо включені будь-які додаткові елементи: резистори, реактори, конденсатори. При харчуванні двигуна не номінальною напругою характеристики також відрізняються від природної механічної характеристики.

Механічні характеристики є дуже зручним і корисним інструментом при аналізі статичних і динамічних режимів електроприводу.

Основні точки механічної характеристики: критичне скільки-ються і частота, максимальний момент, пусковий момент, номінальний момент.

Механічна характеристика - це залежність крутного моменту від ковзання, або, інакше кажучи, від числа обертів:

з виразу видно, що ця залежність дуже складна, оскільки, як показують формули)
і , Ковзання входить також в вирази для I 2 і cos? 2. Механічна характеристика асинхронного двигуна дається зазвичай графічно

Початкова точка характеристики відповідає n \u003d 0 і s \u003d 1: це перша мить пуску двигуна. Величина пускового моменту, що обертає M n - дуже важлива характеристика експлуатаційних властивостей двигуна. якщо M n малий, менше номінального робочого моменту, двигун може запускатися тільки вхолосту або при відповідно зниженою механічного навантаження.

позначимо символом M np протидіє (гальмівний) момент, створюваний механічним навантаженням на валу, при якій двигун пускається. Очевидним умовою для можливості запуску двигуна є: M n > M np . Якщо ця умова виконана, ротор двигуна почне рухатися, число оборотів його n буде зростати, а ковзання s зменшуватися. Як видно з зображення вище, крутний момент двигуна при цьому зростає від M n до максимального M m , Відповідного критичного ковзання s kp, Отже, зростає і надлишкова наявна потужність двигуна, яка визначається різницею моментів M і M np .

Чим більше різниця між розташовуваним моментом двигуна (можливим при даному ковзанні по робочій характеристиці) М і протидіє М np , Тим легше режим запуску і тим швидше двигун досягає сталої швидкості обертання.

Як показує механічна характеристика, при деякому числі оборотів (при s = s kp) Наявний обертовий момент двигуна досягає максимально можливого для даного двигуна (при даному напрузі U ) значення M т . Далі двигун продовжує збільшувати швидкість обертання, але наявний обертовий момент його швидко зменшується. При якихось значних n і s крутний момент двигуна стає рівним протидії: пуск двигуна закінчується, число оборотів його встановлюється на значенні, відповідному співвідношенню:

Це співвідношення є обов'язковим для всіх навантажувальних режимів двигуна, тобто для всіх значень M np , Які не виходять за межі максимального наявного крутного моменту двигуна М т . У цих межах двигун сам автоматично пристосовується до всіх коливань навантаження: якщо під час роботи двигуна його механічне навантаження збільшується, на якусь мить M np побільшає моменту, що розвивається двигуном. Обороти двигуна почнуть знижуватися, а момент збільшуватися.

Швидкість обертання встановиться на новому рівні, що відповідає рівності M і M np . При зниженні навантаження процес переходу до нового навантажувального режиму буде зворотним.

Якщо навантажувальний момент M np перевищить М т , Двигун відразу зупиниться, так як з подальшим зменшенням обертів крутний момент двигуна зменшується.

Тому максимальний момент двигуна М т називається ще перекидаючим або критичним моментом.

Якщо в формулу моменту підставити:

то отримаємо:

Взявши першу похідну від М по і прирівнявши її до нуля, знайдемо, що максимальне значення крутного моменту наступає за умови:

тобто при такому ковзанні s = s kp , При якому активний опір ротора одно індуктивному опору

значення s kp у більшості асинхронних двигунів лежать в межах 10 - 25%.

Якщо в написану вище формулу моменту замість активного опору r 2 підставити індуктивне за формулою

Максимальний крутний момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату магнітного потоку (а значить, і квадрату напруги) і обернено пропорційний індуктивності розсіювання обмотки ротора.

При сталості напруги, що підводиться до двигуна, його потік Ф залишається практично незмінним.

Індуктивність розсіювання роторному ланцюзі теж практично постійна. Тому при зміні активного опору в ланцюзі ротора максимальне значення крутного моменту M т змінюватися не буде, але буде наступати при різних ковзаннях (зі збільшенням активного опору ротора - при великих значеннях ковзання).

Очевидно, що максимум можливого навантаження двигуна визначається значенням його M т . Робоча частина характеристики двигуна лежить у вузькому діапазоні чисел оборотів від n, відповідного M т , До. при n = n 1 (Кінцева точка характеристики) М \u003d 0, так як при синхронної швидкості ротора s \u003d 0 і I 2 = 0.

Номінальний обертальний момент, що визначає значення паспортної потужності двигуна, приймається зазвичай рівним 0,4 - 0,6 від M т . Таким чином, асинхронні двигуни допускають короткочасні перевантаження в 2 - 2,5 рази.

Основним параметром, що характеризує режим роботи асинхронного двигуна, є ковзання s - відносна різниця частоти обертання ротора двигуна n і його поля n про: s \u003d (n o - n) / n o.

Область механічної характеристики, відповідна 0 ≤ s ≤ 1 - область рухових режимів, причому при s< s кр работа двигателя устойчива, при s > s кр - нестійка. при s< 0 и s > 1 момент двигуна спрямований проти напрямку обертання його ротора (відповідно рекуперативного гальмування і гальмування противовключением).

Стійкий ділянку механічної характеристики двигуна часто описується формулою Клосса, підстановкою в яку параметрів номінального режиму можна визначити критичне ковзання s кр:

,

де: λ \u003d M kp / M н - перевантажувальна здатність двигуна.

Механічна характеристика за даними довідника або каталогу наближено може бути побудована по чотирьох точках (рис. 7.1):

Точка 1 - ідеальний холостий хід, n \u003d n o \u003d 60 f / p, М \u003d 0, де: р - число пар полюсів магнітного поля двигуна;

Точка 2 - номінальний, режим: n \u003d n н, М \u003d М н \u003d 9550 P н / n н, де P н - номінальна потужність двигуна в кВт;

Точка 3 - критичний режим: n \u003d n кр, М \u003d М кр \u003d λ М н;

Точка 4 - режим пуску: n \u003d 0, М \u003d М пуск \u003d β М н.

При аналізі роботи двигуна в діапазоні навантажень до М н і дещо більше стійкий ділянку механічної характеристики можна наближено описати рівнянням прямої лінії n \u003d n 0 - ВМ, де коефіцієнт "в" легко визначається підстановкою в рівняння параметрів номінального режиму n н і М н.

Конструкція обмоток статора. Одношарові і двошарові петлі-ші обмотки.

По конструкції котушок обмотки поділяють на всипні з м'якими котушками і обмотки з жорсткими котушками або полукатушкамі. М'які котушки виготовляють з круглого ізольованого проводу. Для додання необхідної форми їх попередньо намотують на шаблони, а потім укладають в ізольовані трапецеїдальні пази (див. Рис. 3.4, в, гі 3.5, в); междуфазовая ізоляційні прокладки встановлюють в процесі укладання обмотки. Потім котушки зміцнюють в пазах за допомогою клинів або кришок, надають їм остаточну форму (формують лобові частини), здійснюють бандажирование обмотки і її просочення. Весь процес виготовлення всипні обмоток можна повністю механізувати.

Жорсткі котушки (полукатушкі) виготовляють з прямокутного ізольованого проводу. Остаточну форму їм надають до укладання в пази; одночасно на них накладають корпусні і междуфазовая ізоляцію. Потім котушки укладають в попередньо ізольовані відкриті або напіввідкриті пази , зміцнюють і піддають просочення.

1. одношарові обмотки - найбільш придатні для механізованого укладання, так як в цьому випадку обмотка повинна бути концентрической і укладатися в пази статора обома сторонами котушки одночасно. Однак застосування їх приводить до збільшеного витраті обмотувального дроту через значну довжини лобових частин. Крім того, в таких обмотках не представляється можливим виконати вкорочення кроку, що призводить до погіршення форми магніт-ного поля в повітряному зазорі, збільшення додаткових втрат, виникнення провалів в механічної характеристиці і підвищенню шуму. Однак через свою простоту і дешевизну такі обмотки широко застосовують в асинхронних двигунах невеликої потужності до 10-15 кВт.

2. Двошарові обмотки- дозволяють виконати вкорочення кроку обмотки на будь-яку кількість Зубцову поділів, завдяки чому поліпшується форма магнітного поля, що створюється обмоткою, і придушуються вищі гармонійні в кривій ЕРС. Крім того, при двошарових обмотках виходить більш проста форма лобових з'єднань, що спрощує виготовлення обмоток. Такі обмотки застосовують для двигунів потужністю понад 100 кВт з жорсткими котушками, які укладають вручну.

Обмотки статора. Одношарові і двошарові хвильові обмотки

У пазах сердечника статора раз-міщан багатофазна обмотка, яка приєднується до мережі змінного струму. Багатофазні симетричні обмотки з числом фаз твключають в себе тфазних обмоток, які з'єднуються в зірку або багатокутник. Так, наприклад, в разі трифазної обмотки статора число фаз т \u003d3 і обмотки можуть з'єднуватися в зірку або трикутник. Між собою обмотки фаз зміщені на кут 360 / т град; для трифазної обмотки цей кут дорівнює 120 °.

Обмотки фаз виконуються з окремих котушок, з'єднаних послідовно, паралельно або послідовно-паралельно. В даному випадку під котушкоюмаються на увазі кілька послідовно з'єднаних витків обмотки статора, розміщених в одних і тих же пазах і мають спільну ізоляцію щодо стінок паза. В свою чергу виткомвважаються два активних (т. е. розташованих в самому осерді статора) провідника, покладених в двох пазах під сусідніми різнойменними полюсами і з'єднаних один з одним послідовно. Провідники, розташовані поза сердечника статора і з'єднують активні провідники між собою, називаються лобовими частинами обмотки. Прямолінійні частини котушок обмоток, вкладені в пази, називаються сторонами котушок або пазовими частинами.

Пази статора, в які вкладаються обмотки, утворюють на внутрішній стороні статора так звані зубці. Відстань між центрами двох сусідніх зубців сердечника статора, виміряний по його поверхні, зверненої до повітряного зазору, називається зубцова розподіломабо пазовим розподілом.

Багатошарові циліндричні котушкові обмотки (рисунок 3) намотуються з круглого дроти і складаються з багатошарових дискових котушок, розташованих уздовж стрижня. Між котушками (через кожну котушку або через дві-три котушки) можуть бути залишені радіальні канали для охолодження. Такі обмотки застосовуються на стороні вищої напруги при S ст ≤ 335 кВ × А, I ст ≤ 45 А і U Л.М ≤ 35 кВ.

Одношарові і двошарові циліндричні обмотки (рисунок 4) намотуються з одного або декількох (до чотирьох) паралельних прямокутних провідників і застосовуються при S ст ≤ 200 кВ × А, I ст ≤ 800 А і U Л.М ≤ 6 кВ.

Аналіз роботи асинхронного електродвигуна зручно проводити на основі його механічних характеристик, що представляють собою графічно виражену залежність виду п = f(М). Швидкісними характеристиками в цих випадках користуються досить рідко, так як для асинхронного електродвигуна швидкісна характеристика є залежність числа оборотів від струму ротора, при визначенні якого зустрічається ряд труднощів, особливо, в разі асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором.

Для асинхронних електродвигунів, так само як і для електродвигунів постійного струму, розрізняють природні і штучні механічні характеристики. Асинхронний електродвигун працює на природному механічної характеристиці в тому випадку, якщо його статорна обмотка підключена до мережі трифазного струму, напруга і частота струму якої відповідає номінальним значенням, і якщо в ланцюг ротора не включені будь-які додаткові опору.

На рис. 42 була приведена залежність М = f(s), Яка дозволяє легко перейти до механічної характеристиці n = f(M ), Так як, згідно з виразом (82), від величини ковзання залежить швидкість обертання ротора.

Підставивши формулу (81) у вираз (91) і вирішивши отримане рівняння щодо п 2 отримаємо наступне рівняння механічних характеристик асинхронного електродвигуна

член r 1 s опущений, зважаючи на його малість. Механічні характеристики, відповідні до цього рівняння, наведені на рис. 44.

Для практичних побудов рівняння (95) незручно, тому на практиці зазвичай користуються спрощеними рівняннями. Так, в разі роботи електродвигуна на природній характеристиці при обертального моменту, що не перевищує 1,5 його номінального значення, ковзання зазвичай не перевищує 0,1. Тому для зазначеного випадку в рівнянні (95) можна знехтувати членом x 2 s 2 /kr’ 2 · M , В результаті чого отримаємо наступне спрощене рівняння природної характеристики:

є рівнянням прямої лінії, нахиленої до осі абсцис.

Хоча рівняння (97) є наближеним, досвід показує, що при змінах моменту в межах від М \u003d 0 до М=1,5М н характеристики асинхронних електродвигунів дійсно прямолінійні і рівняння (97) дає результати, добре узгоджуються з досвідченими даними.

При введенні в ланцюг ротора додаткових опорів характеристику п = f(М) З достатньою для практичних цілей точністю також можна вважати прямолінійною в зазначених межах для крутного моменту і виробляти її побудова за рівнянням (97).

Таким чином, механічні характеристики асинхронного електродвигуна в діапазоні від М\u003d 0 до М = 1,5 М н при різних опорах роторного ланцюга представляють сімейство прямих, що перетинаються в одній точці, що відповідає синхронного числу оборотів (рис. 45). Як показує рівняння (97), нахил кожної характеристики до осі абсцис визначається величиною активного опору роторної ланцюга r’ 2 . Очевидно, чим більше опір, введене в кожну фазу ротора, тим більше нахилена до осі абсцис характеристика.

Як вказувалося, зазвичай на практиці швидкісними характеристиками асинхронних електродвигунів не користуються. Розрахунок же пускових і регулювальних опорів виробляють за допомогою рівняння (97). Побудова природної характеристики можна виконати за двома точками - по синхронної швидкості n­ 1 = 60f /р при нульовому моменті і за номінальною швидкості при номінальному моменті.

Слід мати на увазі, що для асинхронних електродвигунів залежність моменту від струму ротора I 2 носить більш складний характер, ніж залежність моменту від струму якоря для

електродвигунів постійного струму. Тому швидкісна характеристика асинхронного двигуна неідентичних механічної характеристиці. характеристика п = f(I 2 ) Має вигляд, показаний на рис. 46. \u200b\u200bТам же дана характеристика n = f (I 1 ).

Федеральне агентство з освіти

Державна освітня установа вищої професійної освіти

Петрозаводський державний університет

Кольський філія

Кафедра «Високовольтної електроенергетики і електротехніки»

Дисципліна "_Електромеханіка_"

пристрій асинхронної машини.

Контрольна робота

студента __2___ курсу

(група АВЕЕ - / 06 / 3,5)

заочного відділення

Фізико-енергетичного факультету

спеціальність: 140201- «Високовольтні електроенергетика і електротехніка»

Ваховського Володимира Олександровича

викладач -

проф., докт. техн. наук А.І. Ракаєв

апатити

Механічні характеристики асинхронного двигуна (АД).

1. Введення.

2. Асинхронні машини.

3. Рівняння механічної характеристики асинхронного двигуна.

4. Лінеаризація механічної характеристики асинхронного двигуна.

5. Механічні характеристики асинхронних двигунів при симетричних режимах

8. пристрій асинхронної машини.

9. Принцип діїАсинхронні машини.

10. Список літератури

Механічні характеристики асинхронного двигуна (АД).

1. Введення.

Електроприводи змінного струму широко застосовуються в промисловості, транспорті, будівельної індустрії та інших галузях народного господарства. Їх переважне поширення обумовлено: високою надійністю машини змінного струму через відсутність колектора, простотою управління нерегульованими приводами, оскільки більшість з них безпосередньо включається в мережу, низькою вартістю електричних машин і простими вимогами до їх користування та інформацією експлуатації.

Залежно від типу використовуваного двигуна розрізняють не тільки приводи змінного і постійного струму, а й асинхронні, синхронні, крокові та інші різновиди приводів. Однак не слід думати, що приводи змінного струму по всіх усюдах можуть застосовуватися замість приводів постійного струму. Для кожного виду приводу є сформовані області перспективного використання. Причому важко однозначно і безумовно перерахувати наперед всі фактори, які визначають вибір роду струму для приводу. Поряд з традиційними приводами, побудованими на базі асинхронних і синхронних машин, в останні десятиліття застосовують приводи змінного струму з універсальними і кроковими двигунами, двигунами подвійного живлення і з електромагнітної редукцією швидкості.

2. Асинхронні машини.

Принцип дії асинхронної машини в найзагальнішому вигляді полягає в наступному: один з елементів машини - статор використовується для створення рухомого з певною швидкістю магнітного поля, а в замкнутих проводять пасивних контурах іншого елемента-ротора наводяться ЕРС, що викликають протікання струмів і освіту сил (моментів) при їх взаємодії з магнітним полем. Всі ці явища мають місце при несинхронному-асинхронному русі ротора щодо поля, що і дало машинам такого типу назву - асинхронні.

Статор зазвичай виконаний у вигляді декількох розташованих в пазах котушок, а ротор у вигляді «білячої клітини» (короткозамкнений ротор) або у вигляді декількох котушок (фазний ротор), які з'єднані між собою, виведені на кільця, розташовані на валу, і за допомогою ковзних по ним щіток можуть бути замкнуті на зовнішні резистори або інші ланцюга.

Незважаючи на простоту фізичних явищ і матеріалізується їх конструктивів, повне математичний опис процесів в асинхронної машині досить складно:

по-перше, все напруги, струми, потокосцепления -змінного, тобто характеризуються частотою, амплітудою, фазою або відповідними векторними величинами;

по-друге, взаємодіють рухомі контури, взаємне розташування яких змінюється в просторі;

по-третє, магнітний потік нелінійно пов'язаний з намагнічує струмом (проявляється насичення магнітного кола), активні опори роторному ланцюзі залежать від частоти (ефект витіснення струму), опору всіх ланцюгів залежать від температури і т.п.

Розглянемо найпростішу модель асинхронної машини, придатну для пояснення основних явищ в асинхронному електроприводі.

Механічні характеристики двигуна повністю визначають якість роботи електромеханічної системи в сталому режимі і її продуктивність. Вони також впливають і на динамічні режими електроприводу, характеризуючи надлишковий динамічний момент, що визначає прискорення або уповільнення двигуна

3. Рівняння механічної характеристики асинхронного двигуна

У сучасній практиці проектування використовуються програми, що враховують при розрахунку механічних характеристик намагнічування магнітної системи машини Але при цьому втрачається наочність в їх дослідженні. Тому всі подальші залежності будуть знайдені при виконанні цього основного допущення.

Підведена до двигуна з мережі електрична потужність витрачається на покриття втрат в контурі намагнічування p μ , в міді статора p M 1, і залишок її перетворюється в електромагнітну потужність. Таким чином,

(4-12)

В свою чергу,

де ω 0 \u003d 2π f 1 /p - число пар полюсів статора машини.

Після незначних перетворень, знайдемо

(4-14)

Отже, залежність M = f(s) є складною функцією від ковзання. Досліджуємо її на екстремум, взявши похідну

(4-15)

Прирівнявши чисельник виразу (4-15) нулю, знайдемо значення критичного ковзання s K, при якому залежність М \u003df(s) має максимум:

(4-16)

фізично зменшення М при s s K і s > s K пояснюється наступним. при s s K зменшення ковзання пов'язане зі зменшенням струму і моменту двигуна, а при s > s K, хоча і відбувається збільшення струму двигуна, але його активна складова, яка обумовлює електромагнітний момент, не росте, а зменшується, що також призводить до зменшення моменту, що розвивається двигуном.

позитивний знак s K відповідає руховому, а негативний - генераторному режиму роботи машини.

Слід мати на увазі, що, як у машини постійного струму, відносна величина r 1 зменшується при збільшенні потужності машин і вже для двигунів потужністю 100 кВт складає 10-15% величини x 1 + x 2 ". Тому формулу (4-16) можна використовувати в спрощеній формі, нехтуючи r 1

де x К.З - індуктивне приведений опір короткого замикання.

Цього не можна робити для машин середньої та особливо малої потужності, у яких опір r 1 порівнянно з x К.З.

Використовуючи формули (4-14) і (4-16), можна отримати іншу запис механічної характеристики асинхронного двигуна, якщо знайти значення його критичних моментів в руховому М К.Д і генераторному М К.Г режимах роботи:

(4-18)

Ставлення критичних моментів

(4-19)

Тут прийнято часто використовується позначення:

(4-20)

Формула (4-19) показує, що значення критичного моменту машини в генераторному режимі може бути істотно більше, ніж в руховому режимі (див. Рис. 4-8).

Для практичного використання зручніше інше, ніж у формулі (4-14), вираз механічної характеристики асинхронного двигуна. Знайдемо його, використовуючи формули (4-14), (4-17) і (4-20):

(4-21)

Якщо знехтувати впливом активного опору статора, то ε \u003d 0, і формула (4-21) набуває такого вигляду (при М К.Д \u003d М К.Г \u003d М К):

(4-22)

Вперше вираз (4-22) отримав М. Kloss, тому його називають формулою Клосса.

Формули (4-21) або (4-22) зручніше для розрахунків, ніж (4-14), оскільки вони не вимагають знання параметрів двигуна. В цьому випадку всі розрахунки проводяться за даними каталогу. З огляду на те, що значення s K в каталогах не вказано, його доводиться визначати на основі інших відомостей, наприклад, величини перевантажувальної здатності машини М К / М НОМ \u003d λ М. Тоді з формули (4-21) отримаємо:

(4-23)

звідки, вирішуючи квадратне рівняння, знайдемо

де γ \u003d λ М + (1 - λ М) ε.

У вираженні (4-24) слід брати перед коренем знак плюс, оскільки інше значення s K суперечить фізичним змістом.

Наближене рішення рівняння (4-24) можна отримати при коефіцієнті ε \u003d 0, але краще визначити його значення. Найбільш достовірні результати будуть отримані, якщо, маючи в своєму розпорядженні параметрами машини, величину ε визначати з формули (4-20), a s K - з виразу (4-16). Для асинхронних двигунів з фазним ротором вираження (4-14) і (4-21) дають більш достовірні результати, так як в цих машинах менш помітні впливу насичення стали і витіснення струму в обмотках ротора (скінеффект).

4. Лінеаризація механічної характеристики асинхронного двигуна

На робочому ділянці механічної характеристики значення ковзання s багато менше критичного s K. Тому в рівнянні (4-21) пренебрежем складовою ss K -1 і покладемо ε \u003d 0. Тоді отримаємо

(4-25)

Таким чином, вираз (4-25) являє собою лінеаризовану частина механічної характеристики двигуна. Їм можна користуватися при варіаціях ковзання в межах 0 s s НОМ.

Мал. 4-5. Лінеаризовані механічні характеристики асинхронних двигунів

Для отримання штучних характеристик досить записати два рівняння прямих при однакових значеннях ковзання s i (Рис. 4-5):

де індексами «і» і «е» відзначені штучна і природна характеристики, звідки легко знайти

(4-26)

За формулою (4-26) можна побудувати початкові ділянки будь-якої механічної характеристики. При цьому ковзання не повинно виходити за вказані межі.

Якщо в ланцюг ротора введено сумарний опір R 2 НОМ, то при s \u003d 1 в роторі буде протікати струм, відповідний номінального моменту М НОМ . Тоді вираз (4-26) набуде вигляду

Останній вираз дозволяє записати для будь-якої штучної або природної характеристики наступне співвідношення:

де ρ П - відносна величина повного опору, включеного в роторну ланцюг машини ρ П \u003d ρ 2 + ρ ДОБ; s - ковзання на відповідній механічної характеристиці.

Слід мати на увазі, що при R 2 = R 2 НОМ номінальне значення ковзання s Н НОМ \u003d 1 на даній штучної характеристиці .

5 Механічні характеристики асинхронних двигунів при симетричних режимах

Характеристики двигуна при зміні напруги мережі або опорів в ланцюзі статора .

Симетричними називають такі режими роботи асинхронних двигунів (АД), при яких живить мережу симетрична за значенням і фазового зсуву напруг, однакові активні або реактивні опору, що вводяться в електричні ланцюги всіх фаз і симетричні їх внутрішні параметри (число витків в фазах, кутові зсуви пазів і інші фактори).

Перш за все розглянемо зміни в мережі. Зі співвідношення (4-9) випливає, що струм I 2 "пропорційний прикладеній напрузі, а момент - [см. Вираз (4-14)] його квадрату. Це дозволяє побудувати механічні характеристики двигуна при будь-яких напругах (рис. 4-6). Очевидно формула (4-16) підтверджує сталість критичного ковзання s K. Вже при зниженні напруги до 0,7 U НОМ критичний момент становить

Мал. 4-6. Механічні характеристики асинхронного двигуна при різній напрузі живлення.

всього 49% M K номінального режиму. Практично зниження напруги виявляється ще більшим при пуску двигуна через велику пускового струму. Все це призводить до того, що при довгих лініях живлення або для великих машин при їх потужностях, порівнянних з потужністю трансформаторних підстанцій, необхідно виконати спеціальні розрахунки, що підтверджують можливість нормального пуску АД і його роботи із зниженою напругою.

З тих же причин встановлений спеціальний ГОСТ 13109-87 на якість електричної енергії, який передбачає Післяаварійний зміна напруги в промисловій мережі тільки в межах ± 10% номінального його значення.

Особливо небезпечно зниження напруги для приводів, які за умовами експлуатації повинні запускатися під навантаженням (приводи транспортерів, вантажопідіймальних машин, конверторів та багатьох інших механізмів). Наприклад, під час пуску без навантаження (вхолосту) статичний момент транспортера не перевищує (0,2-0,3) М НОМ. Якщо ж привід транспортера був відключений під час роботи при повному навантаженні, то при повторному пуску зі зниженим напругою він повинен буде подолати М З ≈ М НОМ .

Для обмеження пускових струмів великих асинхронних машин або отримання плавного пуску асинхронного приводу застосовують включення активних або індуктивних опорів в ланцюзі статора, які виводяться в кінці пуску (рис. 4-7). Особливістю таких схем є залежність напруги на затискачах двигуна від величини струму.

Активація функції опору хоча і дещо підвищує коефіцієнт потужності приводу в пускових режимах, але в той же час збільшує втрати енергії, в порівнянні з «реакторних» пуском.

Мал. 4-7. Механічні характеристики асинхронного двигуна при номінальному і зниженій напрузі або активному ( r ДОБ) і реактивному ( x ДОБ) додаткових опорах в статорі.

В останні десятиліття для часто включаються і відключаються двигунів великої потужності використовують «частотний» пуск, що більш економічно. Для цієї мети встановлюється спеціальний перетворювач, плавно змінює частоту харчування двигуна при пуску, т. Е. Величину ω 0. Одночасно з цим знижується напруга, що обмежує і пусковий струм.

Характеристики асинхронного двигуна при включенні активних опорів в ланцюг ротора.

Асинхронні двигуни з фазним ротором широко використовуються в приводах підйомно-транспортних і металургійних установок, потужні двигуни застосовують у приводах вентиляторів, аеродинамічних труб і насосів. Завдяки включенню активних опорів в ланцюг ротора, можна змінювати критичне ковзання такого АТ, вид його механічної характеристики, пусковий струм і момент.

Використання в приводах насосів і вентиляторів двигунів з фазним ротором дозволяє економічно регулювати їх продуктивність, що приносить великий господарський ефект. Нагадаємо, що критичний момент не залежить від активного опору, введеного в роторну ланцюг, тому вибором r ДОБ можна так змінювати механічні характеристики АД, що максимальний момент привід матиме при пуску (ω \u003d 0), або навіть в режимі противовключения s K \u003e 1 (рис. 4-8).

збільшення r ДОБ призводить до зростання активної складової струму ротора I 2 a "\u003d I 2 "cosψ 2, так як

(4-30)

де R 2 " = r 2 " + r" ДОБ - повне наведене активний опір вторинної ланцюга машини.

З цієї ж причини двигуни з фазним ротором, на відміну від короткозамкнутих, мають великі пускові моменти при менших струмах. Це властивість таких машин є основною умовою їх переважного використання в приводах з важкими режимами пуску (крани, металургійні установки, ротаційні машини та інші енергоємні механізми). Слід мати на увазі, що надмірне збільшення r ДОБ призводить до різкого зменшення активної складової струму I 2 ". Тоді пусковий момент двигуна М П стає менше статичного моменту при рушанні М ТР . В результаті пуск приводу буде неможливим.

Штучну механічну характеристику можна розрахувати, використовуючи формулу (4-14) або (4-18), (4-20), (4-24) і (4-27). Методику розрахунку штучних характеристик АД з фазним ротором можна спростити, базуючись на таких пропорціях. Запишемо вирази для рівних значень моментів М i на природній і будь-який штучної характеристиці на підставі формули (4-21):

Значення ε не залежить від величини активної складової опору у вторинному ланцюзі машини, тому воно залишається незмінним для природного та штучного механічних характеристик. Отже, з формули (4-31) маємо

Заданими величинами можна вважати: критичні ковзання на штучній і природній характеристиках s K .І і s K .Е і ковзання на природній характеристиці s ei. Тоді з виразу (4-32) отримаємо

(4-33)

Таким чином, основою спрощеного розрахунку служить природна механічна характеристика двигуна. Як було зазначено раніше для машин з фазним ротором, вона може бути отримана наближено за виразом (4-22) і більш точно по (4-21). Частина параметрів машин, необхідних для цих розрахунків, вказується в каталогах або довідниках, а частина - може бути визначена за вищенаведеними формулами.

Мал. 4-8. Механічні характеристики двигуна з фазним ротором

6. Гальмівні режими асинхронних двигунів

Гальмівні режими для багатьох приводів з асинхронними машинами мають більш важливе значення, ніж режими пуску щодо пред'явлених до них вимог надійності і безвідмовності в здійсненні. Часто потрібно точна зупинка в заданому положенні або гальмування приводу протягом певного часу.

Для асинхронних двигунів використовують режими: генераторного гальмування з віддачею енергії в мережу; противовключения; динамічного гальмування з різними системами збудження статора постійним (випрямленою) струмом, коли машина працює генератором, розсіюючи енергію у вторинному ланцюзі; динамічного конденсаторного або магнітного гальмування з самозбудженням. Тому гальмівні режими за способом збудження магнітного поля статора можна розділити на двегруппи: незалежного збудження, здійснюваного від мережі змінного або постійного струму (рекуперативного, противовключения і динамічного гальмування) і з самозбудженням, здійснюваним в результаті обміну енергією з конденсаторної батареєю або при замиканні статора двигуна накоротко , коли магнітний потік створюється ЕРС самоіндукції. За визначенням Л.П. Петрова останній вид будемо називати магнітним гальмуванням.

Всі перераховані режими застосовують для машин як з фазним, так і з короткозамкненим ротором.

У зв'язку з використанням потужних силових напівпровідникових приладів (тиристорів і транзисторів) з'явилися нові схеми реалізації типових гальмівних режимів асинхронних приводів.

Підвищення ефективності гальмування можна досягти застосуванням комбінованих способів його реалізації. Слід особливо підкреслити, що більшість комбінованих гальмувань є повністю керованими. Це ще більше підвищує їх ефективність.

Найбільш ефективними є противовключением і конденсаторної-динамічне гальмування (КДТ). Останній спосіб має багато схемних рішень. Його рекомендують використовувати для приводів з великими наведеними моментами інерції, наприклад перевищують двократний момент інерції двигуна.

Для малоінерційних приводів можна застосовувати конденсаторної-магнітне гальмування (КМТ). Не менш ефективним буде і магнітно-динамічне гальмування (МДТ). Раціональні для окремих приводів і інші комбіновані види двох і навіть трехступенчатого гальмування: противовключения - динамічного гальмування (ПДТ), конденсаторного гальмування і противовключения (КТП) і ін.

Таким чином, реалізація сучасних способів гальмування АД в істотному ступені залежить від досвіду і знань розробника електроприводу. Тому розглянемо детально режими гальмування.

Гальмування з віддачею енергії в мережу. Оборотність асинхронного двигуна, як і інших машин, що використовують принцип електромагнітної індукції (максвеллівський типу), дозволяє йому працювати в генераторному режимі. Якщо на валу двигуна відсутнє навантаження, то енергія, споживана з мережі, витрачається на покриття втрат в статорі, а також втрат в сталі і механічних втрат в роторі. Прикладаючи до валу машини зовнішній момент, діючий в напрямку обертання ротора, можна досягти синхронної швидкості. При цьому втрати в роторі покриваються вже зовнішнім джерелом енергії, а з мережі буде споживатися тільки енергія, що йде на покриття втрат в статорі. Подальше збільшення швидкості вище синхронної призводить до того, що асинхронна машина переходить у генераторний режим.

При роботі в цьому режимі провідники статора перетинаються магнітним полем в колишньому напрямі, а провідники ротора - в протилежному, тому ЕРС ротора Е 2 змінює знак, т. Е. Е 2 "s = (- s)Е 2 " ≈ - Е 2 "s. Струм в роторі відповідно буде дорівнює

(4-34)

Мал. 4-13. Векторна діаграма асинхронного двигуна, що працює в генераторному режимі

З виразу (4-34) видно, що при переході АТ в генераторний режим змінює напрямок тільки активна складова струму ротора, так як крутний момент на валу змінив свій напрямок в порівнянні з мали місце в руховому режимі. Це ілюструє векторна діаграма на рис. 4-13. Тут кут φ 1\u003e π / 2, що підтверджує зміну причини появи струму I 1 у вигляді ЕРС E 1 (А не напруги мережі U 1 , як в руховому режимі), хоча напрямок струму намагнічування I μ збереглося незмінним. Зміна знака у активної складової струму I" 2 a призводить до того, що і електромагнітна потужність стає негативною, т. е. віддається в мережу, так як s 0:

Знак ж реактивної потужності вторинного контуру зберігається незмінним незалежно від режиму роботи машини, що випливає з виразу

Завдяки наявності активних статичних моментів гальмування використовується в підйомних установках (рис. 4-14, а), в транспортних приводах (рис. 4-14, б). Різниця в цих гальмівних режимах полягає в тому, що в першому випадку (рис. 4-14, а) двигун при опусканні великого вантажу перемикається на його спуск (ω 3 в четвертому квадранті при | ω | \u003e | Ω 0 |). Граничне значення моменту вантажу М З не повинно перевищувати М НОМ. При русі транспорту «під ухил» потенційна енергія переміщуваного вантажу починає сприяти руху і створює зовнішній рушійний момент, що прикладається до валу двигуна. Таким чином, в цьому випадку, завдяки збільшенню швидкості приводу (ω\u003e ω 0) і зміни знака ЕРС Е 2, двигун безпосередньо, без перемикання обмоток статора, переходить у генераторний режим з віддачею енергії в мережу (точка 2 на рис. 4-14, б).

Мал. 4-14. Механічні характеристики асинхронного двигуна при активному статичному моменті: а - спуск важкого вантажу; б - робота транспортного засобу «під ухил»

При наявності реактивного статичного моменту генераторное гальмування з рекуперацією енергії в мережу можна отримати в асинхронних двигунах з перемиканням числа полюсів або в приводах з частотним, частотно-струмовим і векторних регулюванням швидкості обертання АД.

У першому випадку (рис. 4-15, а), перемикаючи статор машини з меншого числа полюсів на більшу, зменшується синхронна швидкість ω 02

При частотному регулюванні швидкості, зменшуючи частоту харчування статора від основної f 1 до f 2 f 1 і f 3 f 2, поступово перемикають двигун з однієї механічної характеристики на іншу (рис. 4-15, б). Привід працює в гальмівному режимі з віддачею енергії в мережу, поки його робоча точка переміщається по ділянках механічних характеристик, розташованих у другому квадраті. Змінюючи плавно і автоматично частоту харчування двигуна, можна отримати гальмівний режим приводу з малоизменяющейся моментом гальмування. Однак при цьому певним чином потрібно регулювати і напруга живлення.

Мал. 4-15. Механічні характеристики асинхронного двигуна в режимі генераторного гальмування при реактивному статичному моменті: а - перемикання числа пар полюсів; б - частотне регулювання швидкості

гальмування противовключением. Цей вид гальмування виникає при обертанні ротора двигуна під дією статичного моменту в напрямку, протилежному обертанню поля статора. При наявності реактивного моменту тривалість гальмування мала, після чого машина з гальмівного знову переходить в руховий режим, (рис. 4-16, а). Спочатку двигун працював в точці 1 рухового режиму, а потім після перемикання двох фаз обмотки статора змінюється напрямок обертання магнітного поля машини і її електромагнітний момент (точка 2 ). Рух приводу сповільнюється до точки Про, А потім відбувається реверс ротора і розгін двигуна в протилежному напрямку до сталого руху в точці 3 .

Для двигунів з фазним ротором при наявності великого додаткового опору можлива повна зупинка приводу з гальмівним моментом M ТР (крапка 5 на рис. 4-16, а).

При наявності активного моменту (рис. 4-16, б), якщо змінюється напрямок обертання магнітного поля, як в попередньому випадку, двигун також змінює режим роботи, т. Е. Має місце гальмування противовключением - другий квадрант, руховий режим з реверсом напрямку обертання ротора - третій квадрант і новий режим - генераторний з віддачею енергії в мережу - четвертий квадрант, де лежить точка сталого тривалого руху 3 .

Для двигунів з фазним ротором при активному статичному моменті режим противовключения можна отримати і без перемикання фаз статора, тільки введенням великих додаткових опорів в ротор (рис. 4-16, б). Тоді машина в руховому режимі з точки 1 перекладається в точку 4 при введенні додаткового опору r Д, і далі вона змінює свій рух по штучної механічної характеристиці, переходячи в четвертий квадрант. Крапка 5 відповідає тривалого сталому руху асинхронного двигуна в режимі противовключения.

Мал. 4-16. Схема включення і механічні характеристики асинхронного двигуна: а - в режимі противовключения при реактивному статичному моменті; б - те ж, при активному статичному моменті

Режим гальмування противовключением часто використовується в підйомно-транспортних установках. Перемикання фаз статора, без введення додаткового опору використовується тільки в асинхронних двигунах з короткозамкненим ротором з огляду на те, що початкові значення струмів в точці 2 (Рис. 4-16) незначно більше пускового, який становить (5-6) I НОМ. Для двигунів з фазним ротором такі піки струму взагалі неприпустимі. Недоліком гальмівних характеристик противовключения є їх велика крутизна і значні втрати енергії, яка повністю перетворюється в теплоту, що розсіюється у вторинному ланцюзі двигуна. Внаслідок великої крутості механічних характеристик можливі великі коливання швидкості приводу при незначних змінах навантаження.

Якщо відомий момент М С, при якому необхідно здійснити гальмування, то неважко розрахувати значення ковзання в цій точці за формулою (4-25), а потім за формулою (4-29) визначити додатковий опір.

Електродинамічне (динамічне) гальмування. Якщо відключити статор АД від мережі, то магнітний потік залишкового намагнічування формує незначну ЕРС і струм в роторі.

При незалежному збудженні отримують нерухомий потік статора, який індукує в обмотках ротора ЕРС і струм.

Мал. 4-17. Схеми включення обмоток статора асинхронного двигуна в мережу постійного (випрямленого) напруги

Для включення в мережу постійного (випрямленого) струму обмоток статора застосовують різні схеми їх з'єднання, частина з яких зображена на рис. 4-17.

Для аналізу режиму динамічного гальмування зручніше замінити МДС F П, створювану постійним струмом, змінної еквівалентної МДС F ~, Що формується спільно обмотками статора і ротора, як у звичайному асинхронному двигуні. Тоді режим синхронного генератора замінюється еквівалентним режимом асинхронної машини. При такій заміні повинна дотримуватися рівність: F П = F ~ .

Мал. 4-18. Схеми з'єднання початку (Н) і кінця (К) обмоток статора «в зірку» (а), визначення напрямків МДС обмоток статора (б), геометричне складання МДС (в)

Взаємодія малих величин магнітного потоку і струму в роторі не здатна створити великий електромагнітний момент. Тому необхідно знайти способи істотного збільшення магнітного потоку. Це можна зробити, підключаючи статор машини в режимі динамічного гальмування до джерела постійного або випрямленої напруги. Можна також створити схему самозбудження двигуна підключенням до його обмотці статора конденсаторів. В результаті отримаємо режими динамічного гальмування асинхронного машини з незалежним збудженням і самозбудженням

Визначення МДС постійного струму для схеми на рис. 4-17, а пояснює рис. 4-18.

При трифазному включенні обмотки статора в мережу змінного струму необхідно визначити максимум МДС машини, що дорівнює:

(4-36)

де I 1 - діюче значення змінного струму; ω - число витків обмотки однієї фази статора.

Спочатку розглянемо харчування обмотки статора постійним струмом. Якщо при роботі машини в руховому режимі її ковзання і намагнічує струм змінюються мало, то в режимі динамічного гальмування ковзання ротора змінюється в широких межах. Отже, зі зміною швидкості змінюється ЕРС ротора, струм в роторі і створювана ним МДС, яка має суттєвий вплив на результуючу МДС.

Мал. 4-19. Векторна діаграма асинхронної машини в режимі динамічного гальмування

Очевидно, результуючий намагнічує струм, приведений до статора, буде дорівнює

Користуючись векторною діаграмою (рис. 4-19), запишемо наступні співвідношення для струмів:

(4-37)

Беручи значення ЕРС в роторі машини, як і раніше, дорівнює Е 2 при кутовий швидкості обертання ротора ω 0, при інших швидкостях маємо

Відповідно індуктивний опір ротора

де х 2 - індуктивний опір ротора при частоті ω 0.

Тепер для вторинного контуру машини можна записати

Після приведення ЕРС Е 2 до параметрів первинного кола матимемо Е 1 = Е 2 "і тоді

Підставляючи вирази (4-38) в формулу (4-37), отримуємо:

(4-39)

Вирішуючи рівняння (4-39) щодо струму I 2 ", знаходимо

(4-40)

Значення електромагнітного моменту машини визначається втратами в її вторинної ланцюга, а саме:

(4-41)

Досліджуючи цей вислів на екстремум, нескладно отримати критичну відносну швидкість ротора ν KP, при якій є максимум моменти:

(4-42)

(4-43)

На підставі формул (4-41) - (4-43) можна отримати такий вираз для механічної характеристики АД:

(4-44)

Вираз (4-44) подібно формулі Клосса, що спрощує його розуміння. Аналіз формул (4-40) - (4-44) і фізичних явищ, характерних для динамічного гальмування АД, дозволяє зробити наступні висновки.

1. У режимі динамічного гальмування властивості механічних характеристик асинхронної машини подібні до властивостей аналогічних характеристик рухового режиму, т. Е. Критичний момент не залежить від активного опору вторинного контуру, а критична швидкість ν KP так само, як і s KP в руховому режимі, пропорційна r 2 ".

2. Параметр x μ і ток I 1 можуть істотно відрізнятися від аналогічних значень рухового режиму, оскільки залежать від насичення магнітного кола статора.

3. Струм статора машини в руховому режимі є функцією ковзання ротора, а при динамічному гальмуванні він постійний.

4. Результуючий магнітний потік при динамічному гальмуванні і малій швидкості ротора збільшується, так як при цьому зменшується розмагнічуюче дію реакції ротора, а в руховому режимі он залишається приблизно постійним.

Мал. 4-20. Механічні характеристики асинхронного двигуна при динамічному гальмуванні і різних значеннях струму збудження або додаткових опорах в ланцюзі ротора

На рис. 4-20 представлені характеристики, з яких 1 і 2 отримані при двох значеннях струму в статорі I 11 I 12 і незмінному опорі r 21, а характеристики 3 і 4 знайдені при тих же токах, але іншому значенні r 22 > r 21 . Для порівняння представлена \u200b\u200bмеханічна характеристика машини, що працює в руховому режимі. Якщо можливо змінити активний опір в ланцюзі ротора, то можна отримати характеристики з приблизно постійним моментом в широкому діапазоні зміни швидкості приводу.

Реактивний опір контуру намагнічування x μ визначається за універсальною характеристикою холостого ходу машини або експериментальними даними. В останньому випадку, без урахування насичення магнітного кола, величина x μ знаходиться за формулою:

де U 0 , I 0 - фазна напруга і струм при холостому ході машини.

Більш точно залежність x μ = f(I μ) може бути знайдена в такий спосіб. Якщо до асинхронної машині, ротор якої обертається стороннім двигуном з синхронної швидкістю, буде підводитися змінюється за величиною фазна напруга, то воно відповідає ЕРС E 1. Тому, вимірюючи струм I μ, легко розрахувати залежність x μ = E 1 I μ -1, яка буде враховувати насичення магнітної системи машини. Побудова механічної характеристики в цьому випадку ведеться по точкам. При цьому задаються значення M KP, ν KP і обчислюють за формулами (4-42) і (4-43) величину r 2 " і струм I 1. Потім знаходять ν i, змінюючи I μi від нуля до I 1 при відповідних значеннях x μi, за формулою:

(4-45)

Вираз (4-45) отримано після операцій з формулами (4-37) - (4-38). За формулою (4-41) можна розрахувати механічну характеристику, що враховує вплив насичення магнітного кола машини.

Цей вид гальмування застосовується в підйомно-транспортних і в верстатних приводах, що живляться від нерегульованої по частоті мережі змінного струму в частотно-керованих приводах.

Конденсаторне гальмування асинхронних двигунів в останні десятиліття стало застосовуватися в верстатних приводах. Можливість такого режиму була встановлена \u200b\u200bще в 1895 р М. Лебланом, але в 20-40-і роки XX століття цей вид гальмування вважався нераціональним. Тільки в 1944 р А.Т. Голован і І.М. Барбаш показали перспективність його використання. Однак лише в кінці 50-х років, завдяки працям Л.П. Петрова, були досягнуті практичні результати у використанні як конденсаторного, так і інших видів комбінованого гальмування. Це стало можливим через зниження вартості і габаритів конденсаторів і розробці нових схем, що забезпечують інтенсивне самозбудження асинхронних машин в широкому діапазоні зміни їх швидкості обертання. В даний час застосовуються різноманітні схеми реалізації конденсаторного гальмування.

Мал. 4-21. Залежність самозбудження асинхронної машини при конденсаторному гальмуванні

Принцип самозбудження АТ пояснюється зображеннями, наведеними на рис. 4-21. При відключенні машин з обертовим ротором від мережі і підключенні до статора батареї конденсаторів (рис. 4-26, а) за рахунок залишкової ЕРС Е 0 починається заряд конденсаторів з струмом I μ 0 (Рис. 4-21). Цей струм підвищує ЕРС машини до E 1 i, що, в свою чергу, підвищує струм заряду конденсатора до величини I μi, і далі процес тривав би так, як вказано на малюнку до точки 1 (При незмінній швидкості обертання поля двигуна), де E 1 i \u003d E 1 і I μi \u003d I μ .

Згідно еквівалентної схемою (рис. 4-22) ЕРС E 1 буде дорівнює

де φ \u003d f X f 0 -1 і f 0 - номінальна частота в ланцюзі.

Вважаючи на початку самозбудження ток в роторі рівним нулю і I 1 ≈ I μ, можна знайти початкову відносну частоту самозбудження φ НАЧ. Тоді з формули (4-46) знайдемо

і x μ , x 1 , x З - реактивні складові опорів схеми заміщення (рис. 4-22) при частоті мережі (50 Гц).

Мал. 4-22. Еквівалентна схема асинхронної машини при конденсаторному порушення

нехтуючи значеннями В і x 1 2 порівняно з x μ 2 і вирішуючи біквадратне рівняння (4-47), отримуємо:

Або (4-48)

Мал. 4-23. Статичні характеристики режиму конденсаторного самозбудження асинхронної машини Ф - магнітний потік; I 1 , I 2 " , I μ - струм в статорі, ток в роторі (наведене значення), струм намагнічування відповідно; φ - частота вільних коливань струму в статорі; ω - кутова швидкість ротора; s - ковзання; М- електромагнітний момент

Таким чином, початкова частота процесу самозбудження асинхронного генератора приблизно дорівнює власній частоті коливального контуру ненасиченої машини. Це ж ілюструють і криві на рис. 4-23 (в відносних одиницях). Вони дозволяють зробити наступні висновки.

1. Режим обмежений по кутовий швидкості ротора значеннями ω НАЧ, де починається самозбудження машини і ω К, де цей процес закінчується, причому ω К\u003e ω 0.

2. В значній інтервалі зміни частоти обертання ротора магнітна ланцюг машини залишається насиченою і потік зберігає приблизно постійне значення (1,5-2,0) Ф НОМ.

3. Значення струмів ротора і статора значно перевершують номінальні значення.

Розглядаючи фізичні процеси, що відбуваються в машині, можна встановити наступне. Якщо швидкість обертання ротора перевищує ω НАЧ, то зростає частота вільної складової струму статора внаслідок насичення магнітної системи машини (див. Рис. 4-23) і φ буде більше φ НАЧ. Вектор струму статора повертається за годинниковою стрілкою (рис. 4-24), але його амплітуда зростає. Разом з тим наростання струму в роторі I 2 призводить до появи розмагнічуючої складової магнітного потоку в повітряному зазорі. При швидкості обертання ротора ω До настає рівність реактивних складових струмів I 1 і I 2 "і процес самозбудження машини припиняється.

вважаючи рівними I 1 і I 2 "через малість їх активних складових, і використовуючи вираз (4-49), знаходимо:

де φ K - критичне значення відносної частоти поля статора.

Мал. 4-24. Векторна діаграма самозбудження асинхронного генератора

Схема заміщення фази двигуна і його векторна діаграма дозволяють знайти залежності для електромагнітної потужності і моменту, останній визначається тепловими втратами в статорі і роторі машини. Однак ці розрахунки пов'язані з дуже складними і громіздкими обчисленнями всіх залежностей, зображених на рис. 4-23. Тому скористаємося спрощеною методикою розрахунку механічної характеристики, яка визначається такою залежністю:

де М 0 - початковий (розрахунковий) гальмівний момент при швидкості ω 0.

величина М 0 отримана експериментально в вигляді твору М НОМ kC° , де k - коефіцієнт, що залежить від типу конкретного двигуна. Він може прийматися рівним 0,7 для чотирьох- і шестіполюсних машин і 0,5 для двополюсних, З ° - фазна ємність конденсаторів в відносних одиницях від C НОМ. Ставлячи значення φ НАЧ, можна обчислити З ° за формулою

Номінальна ємність конденсаторної батареї (фазна)

де I μ НОМ - струм намагнічування машини при номінальному (фазовому) напрузі статора; ω 0 - синхронна швидкість обертання магнітного поля при частоті мережі 50 Гц.

Мал. 4-25. Статичні механічні характеристики асинхронної машини при конденсаторному гальмуванні: при ємності в фазі З 1 (Крива 1), при ємності в фазі З 2 (Крива 2 і 3) і різних значеннях струму намагнічування I μ 2 » I μ 3

Механічні характеристики (рис. 4-25) показують, що збільшення ємності конденсаторів знижує значення кутових швидкостей ω НАЧ і ω К, а також і максимальний гальмівний момент. При збільшенні струму намагнічування (крива 3 ) підвищується насичення магнітного ланцюга, що призводить до зменшення індуктивного опору машини і збільшення максимуму гальмівного моменту і кутової швидкості ω К.

Мал. 4-26. Комбіноване конденсаторної-динамічне гальмування: а - принципова схема; б - механічні характеристики

Як було зазначено вище, комбіновані способи гальмування виявляються ефективними для отримання повної зупинки приводу. Залежно від моментів замикання контактів гальмівного контактора КТв такій системі можливе отримання навіть трьох послідовно змінюються гальмівних режимів (рис. 4-26, б): конденсаторного (крива 1 ), Магнітного (крива 2 ) і динамічного (крива 3 ) або тільки першого і останнього. Перехід приводу з рухового режиму в гальмівній і перемикання різних гальмівних режимів вказано на малюнку стрілками. Наприклад, якщо замикання контактів КТвідбувається в момент, відповідний точці з, То в ній відбувається перехід від конденсаторного до магнітного гальмування, яке закінчується в точці d, Далі майже до зупинки приводу йде динамічне гальмування.

7. Технічні реалізації. застосування

Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором вже близько 100 років використовується і буде використовуватися як практично єдина реалізація масового нерегульованого електроприводу, що становить до теперішнього часу більше 90% всіх промислових електроприводів. В останні 10-20 років багатьма фірмами в Америці і Європі робляться спроби розробки і випуску на широкий ринок так званих енергоефективних двигунів, в яких за рахунок збільшення на 30% маси активних матеріалів на 1-5% підвищено номінальний ККД при відповідному збільшенні вартості. В останні роки в Великобританії здійснено великий проект створення енергоефективних двигунів без збільшення вартості.

В останнє десятиліття завдяки успіхам електроніки (ПЧ) короткозамкнений асинхронний двигун став основою частотно-регульованого електроприводу, успішно витісняє домінував раніше електропривод постійного струму в багатьох сферах. Особливо цікавим є застосування такого електроприводу в традиційно нерегульованих насосах, вентиляторах, компресорах. Як показує досвід, це технічне рішення дозволяє економити до 50% електроенергії, до 20% води і більше 10% тепла.

Перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого в багатьох технологіях розглядається як основний напрямок розвитку електроприводу, оскільки при цьому істотно підвищується якість технологічних процесів і економиться до 30% електроенергії. Це визначає перспективи розвитку частотно-регульованого електроприводу.

Електропривод з двигунами з фазним ротором при реостатному регулюванні традиційно застосовується в крановому господарстві, використовується в інших технологіях. Каскадні схеми і машини подвійного живлення можна зустріти в потужних електроприводах газоперекачуючих станцій з невеликим діапазоном регулювання, в пристроях електродвіженія судів.

Пристрій асинхронних машин

В основу принципу дії асинхронної машини покладено використання обертового магнітного поля, яке індукує електрорушійну силу (ЕРС) в обмотці ротора. При взаємодії струму "ротора з обертовим магнітним полем створюється електромагнітний момент, що приводить ротор в обертання (в руховому режимі) або здійснює його гальмування (в гальмівних режимах)

8-Принцип дії асинхронної машини

Принцип дії асинхронної машини заснований на законі електромагнітної індукції, відкритому

М. Фарадеєм, і роботах Д. Максвелла і Е. Ленца.

У асинхронної мащін одну з обмоток розміщують на статорі 1 (рис1.1 а), а другу - на роторі 5. Між ротором і статором є повітряний зазор, який для поліпшення магнітної зв'язку між обмотками роблять по можливості малим. обмотка статора 2 є багатофазну (або в окремому випадку трифазну) обмотку, котушки якої розміщують рівномірно по окружності статора. Фази обмотки статора АХ,BY і CZ з'єднують за схемою Y або А і підключають до мережі трифазного струму. обмотку ротора 4 виконують багатофазної короткозамкненою або трифазної і розміщують рівномірно уздовж окружності ротора.

З курсу теоретичних основ електротехніки відомо, що при харчуванні трифазним синусоїдальним струмом трифазного обмотки статора виникає обертове магнітне поле, частота обертання (об / хв) якого

П1 \u003d 60f1 | р Де f 1- частота живильної мережі. р-. число пар полюсів

Обертове магнітне поле індукує в провідниках замкнутої накоротко обмотки ротора ЕРС Е 2 і по ним проходить струм 1 2.

На рис.1.1, а показано (за правилом правої руки) напрямок ЕРС, індукованої в провідниках ротора при обертанні магнітного потоку Ф за годинниковою стрілкою (при цьому провідники ротора переміщаються щодо потоку Ф проти годинникової стрілки). Якщо ротор нерухомий або частота його обертання менше частоти п1, то активна складова струму ротора збігається по фазі з індукованої ЕРС; йрі цьому умовні позначення (хрестики і точки) на рис. 1.1 показують одночасно і напрямок активної складової струму.

Мал. 1.1. Електромагнітна схема асинхронної машини і напрямок її еленітними моменту при роботі машини в режимах: руховому(А), геніраторно(Б) і електро. гальмування(В)

На провідники зі струмом, розташовані в магнітному полі, діють електромагнітні сили, напрямок яких визначається правилом лівої руки. Сумарне зусилля F pe 3, прикладена до всіх провідникам ротора, утворює електромагнітний момент М, що захоплює ротор за обертовим магнітним полем.

Електромагнітний момент, що виникає від взаємодії магнітного потоку Фі струму ротора I2

М \u003d сФI2соsф2

де с- коефіцієнт пропорційності; I2соsф2 - активна складова струму ротора; Ф2 кут зсуву фаз між струмом I2 і ЕРС Е 2 в обмотці ротора.

Якщо електромагнітний момент М досить великий, то ротор приходить в обертання і його встановилася частота обертання п 2 відповідає рівності електромагнітного моменту гальмівного, створюваному приводиться в обертання механізмом і внутрішніми силами тертя. Такий режим роботи асинхронної машини є руховим.

Частота обертання ротора П2 завжди відрізняється від частоти обертання магнітного поля П1 так як в разі збігу цих частот обертається поле не перетинає обмотку ротора верб ній не індуцируется ЕРС, а отже, і не створюється обертовий момент.

Відносну різниця частот обертання магнітного поля і ротора називають ковзанням:

S \u003d (П1 П1) | П1

Його виражають у відносних одиницях або відсотках по відношенню До П1 Частота обертання ротора з урахуванням

Таким чином, характерною особливістю асинхронної машини є наявність ковзання, тобто нерівність частот обертання П1 і П1 Тому машину і називають асинхронної (її ротор обертається несинхронно з полем).

При роботі асинхронної машини в руховому, режимі частота обертання ротора менше частоти обертання магнітного поля П1 В машині електрична енергія перетворюється в механічну.

Якщо ротор загальмований (S \u003d 1) -це режим короткого замикання. У разі якщо частота обертання ротора збігається з частотою обертання магнітного поля (синхронна частота), т. Е. S \u003d 0, то крутний момент не виникає.

Якщо ротор асинхронної машини розігнати за допомогою зовнішнього моменту (наприклад, будь-яким двигуном) до частоти П2, більшої частоти обертання магнітного поля П1 то зміниться напрямок ЕРС в провідниках ротора і активної складової струму ротора. При цьому змінить свій напрямок і електромагнітний момент М, який стане гальмуючим, т. Е. Асинхронна машина перейде в генераторний режим (рис. 1.1, б). У генераторному режимі асинхронна машина отримує механічну енергію від первинного двигуна, перетворює її в електричну і віддає в мережу, при цьому 0\u003e S\u003e - ∞.

Якщо обертати ротор від стороннього двигуна в сторону, протилежну обертанню магнітного поля (рис. 1.1, в), то ЕРС і активна складова струму в провідниках ротора спрямовані так само, як і в руховому режимі, т. Е. Машина отримує з мережі електричну енергію . Однак в даному режимі електромагнітний момент М спрямований проти обертання ротора, т. Е. Є гальмівним. Цей режим роботи асинхронної машини - режим електромагнітного гальмування. В цьому режимі ротор обертається в зворотному напрямку (по відношенню до напрямку магнітного поля), тому П2

9-Пристрій асинхронних машин

Основні типи двигунів.Асинхронні двигуни поділяються на два основних типи: з короткозамкненим та фазним ротором (останні називають двигунами з контактними кільцями). Розглянуті двигуни мають однакову конструкцію статора і відрізняються лише виконанням ротора.

Двигуни скороткозамкнутим ротором є найбільш

поширеними; електропромисловість випускає їх десятками мільйонів в рік.

На рис. 1.2, апоказаний загальний вид найбільш поширеного асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором закритого обдуваемого виконання. На статорі розташована трифазна обмотка. Обмотка ротора виконана у вигляді білячої клітини, т. Е. Є короткозамкненою.

Конструкція оболонки (корпус, щити та ін.) В значній мірі залежить від виконання машини за ступенем захищеності та від обраної системи охолодження. У розглянутій конструкції корпус машини для кращого охолодження забезпечений ребрами. Відцентровий вентилятор, розташований на валу двигуна зовні оболонки машини, обдуває ребристий корпус двигуна. Вентилятор закритий воздухонаправляющего кожухом.

Всередині машини повітря перемішується вентиляційними лопатями, відлитими разом з короткозамикающего кільцями. На корпусі кріпиться коробка висновків, в якій встановлена \u200b\u200bклем-мная панель з виведеними кінцями обмотки статора.

У більш потужних двигунах для підвищення інтенсивності охолодження повітря проходить через осьові канали ротора окремим вентилятором або тим же вентилятором, який обдуває зовнішню поверхню машини. Для цієї мети при використанні одного загального вентилятора в аксіальні отвори ротора вставляють, воздухопроводящіе трубки, укріплені в отворах опорних дисків, насаджених на вал ротора (рис. 1.2, б). Цим запобігається можливість проникнення до обмоток машини зовнішнього повітря, в якому міститься волога. Торцеві щити мають жалюзі для проходу і виходу назовні повітря.

Сердечник статора (магнітопровід) набирається з відштампованих кільцеподібних листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 ... 0,5 мм. У листах виштампувані пази для розміщення обмотки (рис. 1.3). У великих машинах статор збирається з листів у вигляді сегментів. На аркуші з обох сторін наноситься ізоляція (оксидна плівка, лак і ін.). Листи в пакеті сердечника скріплюються скобами, зварюванням або у великих машинах шпильками. В машинах понад 400 кВт в сердечниках для кращого охолодження зазвичай є радіальні канали. Вони утворюються шляхом поділу сердечника по довжині на ряд пакетів і установкою між ними сталевих дистанційних прокладок, які приварюються до крайніх листам пакета.

Мал. 1.2. Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором: 1-короткозамихающіе кільця обмотки ротора; 2, 10-підшипникові щити; 3 - вентиляційні лопатки; 4 -обмотка статора;

5 -коробка висновків; б -корпус (станина); 7 -сердечнік статора; 8-сердечник ротора; 9-вал; 11-кожух вентилятора; 12 -вентилятор; 13-опорний диск; 14 - Повітропідвідні трубка

У пази муздрамтеатру статора вкладається обмотка, виготовлена \u200b\u200bз прямоугольного ілікруглого дроти Обмотки з прямокутного проводу виготовляють у вигляді жорстких секцій і укладають у відкриті або по луоткритие пази (рис. 1.4, а, б). Обмотки з круглого дроти всипають зазвичай в напівзакриті пази через шліц в пазу (рис. 1.5) за допомогою спеціальних статорообмоточних верстатів. У високовольтних машинах корпусні ізоля цію котушок зазвичай виконують у вигляді спресованої гільзи (смріс 1.4) У сучасних асинхронних машинах використовують електроізоляційні матеріали класів на-гревостойкості В і F, а для спеціальних машин, що працюють у важких условіях.- материали класу Н

Рис 1.3 Сердечник статора і штампований лист

В сучасних асинхронних машинах використовують електроізоляційні матеріали класів нагрівостійкості В і F, а для спеціальних машин, що працюють у важких умовах, - матеріали класу Н

В машинах розрізняють межвиткового та корпусні ізоляцію. Міжвиткова ізоляція (між витками обмотки) забезпечується ізоляцією самого провідника, що наноситься на нього в процесі виготовлення на кабельних заводах або при виготовленні електричної машини. Корпусні ізоляція відокремлює провідники обмотки від корпусу електричної машини. Для неї використовують різні прокладки, гільзи або ряд шарів ізоляції, що наноситься на відповідну котушку до установки її в машину

рис 1.4відкритий(А)і напіввідкритий (б) пази статора для для обмотки з жестскіх секцій-

1.4.5-ізоляційні прокладки 2 провідники 3 ізоляція котушки (корпусні) 6-клин Ротор машини складається з пакету листів електротехнічної сталі з виштампуваними пазами. У короткозамкнутих Ротару пази заливаються алюмінієм. При цьому утворюються стрижні білячої клітини (ріс1.6 а) Одночасно отліва- ються короткозамикающего торцеві кільця і \u200b\u200bвентиляційні лопаті, загальний вигляд такого ротора показаний на рис. 1.6, б. У більших і спеціальних машинах в пази ротора вставляються мідні (бронзові, латунні) стрижні, кінці яких впаюються (вваривать) в короткозамикающего мідні кільця (рис. 1.6, в). Пакет з алюмінієвої кліткою напресовивается на вал.Для роторів з мідною кліткою листи збираються

безпосередньо на валу, а вже потім в пази пакета вставляються мідні стрижні .

Ротори двигунів обертаються в підшипниках, як правило, застосовуються підшипники кочення, в машинах понад 1000 кВт використовуються також підшипники ковзання. У разі необхідності на валу встановлюється вентилятор. Підшипники закріплюються в підшипникових щитах, підшипникові щити кріпляться до корпусу статора. Двигуни з фазним ротором знаходять значно менше застосування, ніж з коротко-замкнутим ротором, і випускаються промисловістю головним чином у вигляді машин потужністю понад 100 кВт.

рис 1.5 Мал. 1.5. Пази статора для всипні однослойной(А) і двошарової(Б) обмострум:

1 - провідники; 2 - ізоляція паза (корпусні); 3 - кришка - клин; 4 - прокладка

На рис. 1.7 показаний загальний вигляд асинхронного двигуна з фазним ротором захищеного виконання. Для кращого охолодження магнітопроводи статора і ротора в машинах великої і середньої потужності розділені на окремі пакети, між якими є вентиляційні канали. Вентиляційні лопаті, укріплені

Мал. 1.6. Конструкція короткозамкнутого ротора:

/ - сердечник ротора; 2 - стрижні білячої клітини; 3 -вентиляційні лопаті

4 -короткозамикающіекольца

на лобових (зовнішніх) частинах жорстких секцій обмотки, засмоктують повітря в машину через отвори в щитах і

викидають його через отвори в корпусі. Така вентиляція називається симетричною радіальної. Контактні кільця розташовані поза оболонки машини.

Мал. 1.7. Асинхронний двигун з фазним ротором:

7 - коробка висновків; 2 -Вал; 3 -вентиляційні лопаті; 4 -обмотка ротора; 5 - обмотка статора;

6,11-підшипникові щити; 7-сердечник статора; 8- сердечник ротора; 9 - радіальний вентиляційний канал; 10 дифузором; 12 -щеточная траверса; 13 -кожух; 14 -контактні кільця

Мал. 1.8. Пази фазного ротора з всипною обмоткою з круглого дроти(А) і з жорсткою обмоткою(Б):

1 - клин; 2 -провідника; 3 прокладка; 4 - ізоляція паза (корпусні)

вивідні кінці обмотки ротора проходять через отвір в валу і підключаються до контактних кілець болтами. Щіткотримачі зі щітками прикріплюються щеточной траверсой до щита. У двигунах з фазним ротором в пази ротора укладають всипні обмотку з круглого дроти (рис. 1.8, а) або обмотку, що складається з жорстких секцій, що укладаються в відкриті пази ротора (рис. 1.8,6), або ж обмотку зі стрижнів, що вкладаються в напівзакриті пази з торця. Три кінця від фазних обмоток приєднуються до контактних кілець, встановленим на вал двигуна.

10.Спісок літератури

1 І.П Копилов - "Електричні машини" -Москва 2002 рік

двигуна з фазним ротором природна характеристика ... Ом. Рис 1. механічні характеристики , S \u003d. М S Питання №2 Для двигуна постійного струму паралельного ...

асинхронний двигун з короткозамкненим ротором

Лабораторна робота \u003e\u003e Фізика

експериментально визначити механічну характеристику n (M), залежність механічного моменту на валу двигуна від ковзання M (S), робочі характеристики асинхронного двигуна n (P2 ...

Асинхронний двигун - це машина змінного струму. Слово «асинхронний» означає неодночасний. При цьому мається на увазі, що у асинхронних двигунів частота обертання магнітного поля відрізняється від частоти обертання ротора. Основними частинами машини є статор і ротор, відокремлені один від одного рівномірним повітряним зазором.

Рис.1. Пристрій асинхронних двигунів

Статор - нерухома частина машини (рис. 1, а). Його сердечник з метою зменшення втрат на вихрові струми набирають з штампованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 - 0,5 мм, ізольованих один від одного шаром лаку. У пази муздрамтеатру статора вкладається обмотка. У трифазних двигунах обмотка трифазна. Фази обмотки можуть з'єднуватися в зірку або в трикутник в залежності від величини напруги мережі.

Ротор - обертається частина двигуна. Магнитопровод ротора являє собою циліндр, набраний з штампованих листів електротехнічної сталі (рис. 1, б, в). У пазах ротора укладають обмотку, в залежності від типу обмотки ротори асинхронних двигунів діляться на короткозамкнені і фазні (з контактними кільцями). Короткозамкнена обмотка являє собою неізольовані мідні або алюмінієві стрижні (рис. 1, г), З'єднані з торців кільцями з цього ж матеріалу ( «біляча клітина»).

У фазного ротора (див. Рис. 1, в) В пазах магнітопроводу покладена трифазна обмотка, фази якої з'єднані зіркою. Вільні кінці фаз обмотки приєднані до трьох мідним контактним кільцям, насадженим на вал двигуна. Контактні кільця ізольовані один від одного і від вала. До кілець притиснуті вугільні або мідно-графітні щітки. Через контактні кільця і \u200b\u200bщітки в обмотку ротора можна включити трифазний пуско-регулювальний реостат.

Перетворення електричної енергії в механічну в асинхронному двигуні здійснюється за допомогою магнітного поля. Обертове магнітне поле це постійний потік, що обертається в просторі з постійною кутовою швидкістю.

Необхідними умовами збудження магнітного поля є:

Просторовий зсув вісі котушок статора,

Часовий зсув струмів в котушках статора.

Осі фаз обмотки зміщені в просторі на кут 120º. Друга умова забезпечується подачею на котушки статора трифазної системи напруг.

При включенні двигуна в трифазну мережу в обмотці статора встановлюється система струмів однакової частоти і амплітуди, періодичні зміни яких відносно один одного відбуваються із запізненням на 1/3 періоду.

Токи фаз обмотки створюють магнітне поле, що обертається щодо статора з частотою n 1, об / хв, яка називається синхронною частотою обертання двигуна:

де f 1- частота струму мережі, Гц;

р - число пар полюсів магнітного поля.

При стандартній частоті струму мережі Гц частота обертання поля за формулою (1) і в залежності від числа пар полюсів має наступні значення:

р
n 1, об / хв

Обертаючись, поле перетинає провідники обмотки ротора, наводячи в них ЕРС. При замкнутій обмотці ротора ЕРС викликає струми, при взаємодії яких з обертовим магнітним полем виникає крутний електромагнітний момент. Частота обертання ротора в руховому режимі асинхронної машини завжди менше частоти обертання поля, тобто ротор «відстає» від обертового поля. Тільки за цієї умови в провідниках ротора наводиться ЕРС, протікає струм і створюється обертовий момент. Явище відставання ротора від магнітного поля називається ковзанням. Ступінь відставання ротора від магнітного поля характеризується величиною відносного ковзання

де n 2 - частота обертання ротора, об / хв.

Для асинхронних двигунів ковзання може змінюватися в межах від 1 (пуск) до величини, близької 0 (холостий хід).

Для двигунів з короткозамнутим ротором використовують прямий пуск і пуск при зниженій напрузі.

1. прямий пуск - обмотка статора включається безпосередньо в мережу на повне напруга. Прямий пуск допустимо тільки для асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором малої і середньої потужності (до 15-20 кВт). Однак при значній потужності мережі живлення цей спосіб можна поширити на двигуни більшої потужності (приблизно до 50 кВт).

2. Пуск при зниженій напрузі. Пусковий струм двигуна пропорційний напрузі на фазах обмотки статора U 1, Тому зменшення напруги U 1 супроводжується відповідним зменшенням пускового струму. Однак такий спосіб призводить до зменшення початкового пускового моменту, який пропорційний квадрату напруги на фазах обмотки статора. Зважаючи на значне зниження пускового моменту вказаний спосіб пуску застосовується лише при малих навантаженнях на валу.

Є кілька способів зниження напруги U 1 в момент пуску:

а) при легкому пуску асинхронних двигунів середньої потужності, які нормально працюють при з'єднанні фаз обмотки статора трикутником, застосовують зниження напруги на затискачах цих фаз перемиканням їх у зірку;

б) при будь-якому типі з'єднання фаз обмотки статора знизити напругу можна за допомогою реактора (трифазної індуктивного котушки), включеного послідовно в обмотку статора. Менш економічно знижувати напругу на статорі послідовним включенням реостатов, так як вони при цьому сильно нагріваються і виникають додаткові втрати електричної енергії;

в) для двигунів великої потужності знижувати напругу доцільно за допомогою понижувального трифазного автотрансформатора. Цей спосіб кращий за попередній, але значно дорожче. Після того, як ротор двигуна розженеться, і струм спадає, на обмотку статора подається повне напруга мережі.

Пуск двигуна з фазним ротором здійснюється шляхом включення пускового реостата в ланцюг ротора. Пусковий реостат знижує величину початкового пускового струму і одночасно збільшує початковий пусковий момент, який може досягти величини, близької до максимального моменту. У міру розгону двигуна пусковий реостат виводять.

Регулювання- примусова зміна частоти обертання при постійному навантаженні на валу. Недоліком асинхронних двигунів є погана регулювальна здатність. Але все ж деякі можливості регулювання є.

З формули ковзання (2) можна отримати вираз частоти обертання ротора асинхронного двигуна

. (3)

З рівності (3) випливає, що змінювати частоту обертання за допомогою таких дій: зміною частоти струму статора f 1, Числа пар полюсів р і ковзання s. Частоту обертання ротора можна регулювати і зміною напруги живлення U 1. Розглянемо ці способи.

Регулювання зміною частоти струму статора f 1. Частотне регулювання асинхронних двигунів є найбільш перспективним у зв'язку з наявністю простих і надійних трифазних тиристорних перетворювачів частоти, які включають між промислової мережею і асинхронним двигуном. При регулюванні частоти f 1 швидкість двигуна можна плавно змінювати так, що її максимальне значення буде в десятки або сотні разів перевищувати мінімальні. p\u003e

Регулювання зміною числа пар полюсів р. Перемикання числа пар полюсів асинхронних двигунів забезпечує ступінчасте регулювання частоти обертання ротора і відрізняється економічністю. Воно застосовується в машинах зі спеціальним виконанням обмотки статора, що допускають перемикання її котушок на різне число пар полюсів, а також, коли в пазах магнітопроводу статора розміщено кілька черзі включаються обмоток, виконаних на різну кількість пар полюсів, наприклад, р \u003d 1 і р \u003d 2. Двигуни зі зміною числа пар полюсів називаються багатошвидкісними, промисловістю випускаються двигуни на дві, три і чотири швидкості.

Регулювання зміною напруги, що підводитьсяU 1. Зниження напруги викликає зниження швидкості ротора. зменшувати напругу U 1 можна включенням в ланцюг статора реостатов, автотрансформаторів або регульованих дроселів. Даний метод застосовується тільки у двигунів малої потужності, так як при зменшенні напруги зменшується максимальний момент двигуна, який пропорційний квадрату напруги. Зниження максимального моменту зменшує запас по стійкості роботи двигуна. Крім того, діапазон регулювання частоти обертання порівняно невеликий.

Перераховані вище способи регулювання застосовуються для асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором.

У двигунів з фазним ротором частота обертання регулюється зміною ковзання. Для цього в обмотку ротора включають регулювальний реостат. При збільшенні опору регулювального реостата ковзання збільшується, а частота обертання зменшується (рис. 2).

Цей спосіб забезпечує плавне зміна частоти обертання.

Зміна напрямку обертання ротора називається реверсированием. Для реверсу необхідно поміняти місцями два дроти на затискачах обмотки статора двигуна.