Трёхфазные асинхронные двигатели

1. Назначение

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

Устройство, ТАД с короткозамкнутым и фазным ротором:

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

Начала и концы выводятся на панель вводного устройства.

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

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

Назначение основных конструктивных элементов:

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

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

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

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

Вал служит для крепления сердечника он передаёт вращающийся момент.

Возбуждение кругового — вращающегося магнитного поля обмоткой статора:

Работа АД основана на использовании вращающихся магнитных полей.

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

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

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

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

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

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

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

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

а) б) в) Рис. 3. Образование вращающихся МДС и магнитного потока АД:

а); б); в)

2. Принцип действия ТАД

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

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

— частота напряжения источника питания,

pкол-во пар полюсов магнитного поля.

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

частота вращения ротора.

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

т.е.

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

Зависимость параметров двигателя от скольжения:

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

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

Активное сопротивление от частоты не зависит.

Индуктивное сопротивление зависит от частоты.

В каждую фазу обмотки ротора можно представить следующей схемой замещения.

Действующее значение тока можно определить из значения Ома.

Таким образом параметры двигателя зависят от скольжения.

S

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

Учитывая, что ток переменный.

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

Поэтому электромагнитный момент.

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

Механическая характеристика ТАД и параметры её характерных точек:

Под механической характеристикой понимают зависимость частоты вращения от момента.

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

Механическая характеристика имеет 4 характерные точки по которым она обычно и строится. Xрежим идеального холостого хода (М=0;). Мсоответствует номинальному режиму. Ккритическая точка. Ппусковая В паспорте двигателя указывают номинальную мощность, номинальную частоту вращения ротора, -кратность максимального момента Номинальный момент легко найти по паспортным данным.

Свойство саморегулирования вращающегося момента:

Преобразование энергии в двигателе:

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

Рис. 9. Преобразование энергии в АД: а) схема передачи энергии; в) энергетическая диаграмма Носителем мощности является магнитный поток Ф (рис. 9, а) вращающийся с угловой частотой и передающий электромагнитный момент, поэтому. Аналогично для ротора, где — угловая частота вращения ротора. С учетом этого из энергетической диаграммы получаем

(4.8)

. (4.9)

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

КПД и коэффициент мощности и их зависимость от механической мощности:

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

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

()

где А, В, С — постоянные.

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

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

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

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

3. Способы пуска двигателей в ход

трёхфазный асинхронный двигатель а) с короткозамкнутым ротором

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

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

Введение

пускового резистора уменьшает пусковой ток и одновременно увеличивает пусковой момент.

Регулирования частоты вращения, реверсирование:

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

Частота вращения:

n =

1.Частотное регулирование (t₁=var)

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

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

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

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

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

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

Торможение:

Торможение Применяют три способа :

— динамическое

— генераторное рекуперативное

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

Генераторное рекуперативное.

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

Торможение противовключением.

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

Особенности двигателей с повышенным пусковым моментом и многоскоростных:

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

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

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

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

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

полную мощность

реактивную мощность

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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