Сделай Сам Свою Работу на 5

Асинхронные машины: устройство и принцип действия, механические и рабочие характеристики, способы пуска и регулирование частоты вращения.





Асинхронные машины– наиболее распространенные электрические машины. В основном их используют в качестве электрических двигателей. Благодаря простоте устройства и высокой надежности их широко применяют для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов, и т.д.

Асинхронная машина состоит из подвижной и неподвижной части (рисунок 6.1). Неподвижная часть машины переменного тока называется статором (1), а подвижная часть — ротором (2).

Рисунок 6.1 – Схема асинхронной машины

Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, покрытых изоляционным лаком. Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин.

В корпусе машины закрепляется сердечник статора, сердечник ротора крепится на валу. Вращение вала ротора происходит в подшипниках, размещенных в подшипниковых щитах, которые крепятся к корпусу статора, или на отдельно стоящих подшипниковых стояках.

Обмотка статора размещается в пазах, расположенных на внутренней поверхности статора. Чаще всего она выполняется трехфазной и питается трехфазным током от сети, поэтому ее называют первичной обмоткой.



Обмотка ротора размещается в пазах, расположенных на внешней поверхности ротора.

По способу исполнения обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется трехфазной. Концы ее фаз соединяются в звезду, а начала выводятся наружу через контактные кольца и металлографитные щетки. К контактным кольцам может присоединяется регулировочный или пусковой реостат. Число полюсов магнитного поля фазной обмотки ротора такое же как в статоре.

Обмотка ротора двигателя с короткозамкнутым ротором выполняется в виде беличьей клетки (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Обмотка ротора в виде беличьей клетки

 

При этом каждый из в пазов ротора укладывается стержень из меди или алюминия, концы стержней с обоих торцов ротора замыкаются накоротко медными или алюминиевыми кольцами. Большинство выпускаемых асинхронных машин имют короткозамкнутый ротор (особенно машины малой и средней мощности).



В электрическом отношении «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки равно числу пазов ротора, причем в каждую фазу входят один стрежень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны т.к. не имеют щеток и колец. Но при этом их недостатком является сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в электроприводах, где не требуются большие пусковые моменты. В двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток, благодаря чему их можно применять для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя.

Токи обмотки статора двухполюсной машины создают двухполюсный магнитный поток, проходящий через статор (1), ротор (3) и зазор между ними (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Электромагнитная схема асинхронной машины

Обмотка статора (2) создает магнитное поле, вращающееся с частотой (синхронной)

, об/сек; (6.1)

где f1 – частота тока статора, p – число пар полюсов.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора.

Магнитный поток Ф1, создаваемый обмоткой статора (рисунок 6.3), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора (4), индуктирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, то в начинают протекать токи i2 с частотой f2, равной при неподвижном роторе(п = 0) первичной частоте f1.



Если ротор имеет трехфазную обмотку, то индуцируемый в ней ток также трехфазный. Под действием этого тока возникает вращающийся поток ротора Ф2. При n = 0 его число полюсов 2р, направление вращения и скорость

(6.2)

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф1 и Ф2 вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф.

Магнитный Ф поток взаимодействует с токами ротора, в результате чего возникают механические силы F, действующие на проводники ротора, и вращающий электромагнитный момент М.

Если развиваемый момент больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью , т. е. будет вращаться с некоторым отставанием или скольжением, относительно поля статора. Такой режим называют двигательным.

Относительная разность скоростей вращения поля статора и ротора называется скольжением.

. (6.3)

Скорость ротора равна

. (6.4)

При пуске двигателя (n = 0) согласно (6.3) s = 1, а при вращении ротора синхронно с полем статора, т.е. с синхронной скоростью ( ) s = 0. При магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, т.е. М = 0, следовательно двигатель не может достичь такой скорости вращения. Таким образом, в двигательном режиме всегда и .

При вращении ротора сонаправленно с полем статора поле будет перескать проводники ротора с частотой, пропорциональной разности скоростей , и тогда частота тока в обмотке ротора

. (6.5)

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение со скоростью , тогда ротор будет обгонять поле и направление индуцируемых в обмотке ротора токов изменятся на обратные. Аналогично изменятся направление F и M. Момент будет тормозящим, следовательно, машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. При этом . Такой режим называется генераторным.

Если ротор привести во вращение в направлении против вращения поля статора ( ), то направления e2, i2 и F сохраняются как в двигательном режиме, т.е. машина продолжает получать из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но против вращения ротора, т.е. будет его тормозить. Этот режим называется режимом электромагнитного торможения или противовключения. В этом режиме .

Этот режим на практике используется для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращении поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, т.е. теперь уже против поля. Механическая мощность в данном случае развивается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При машину необходимо отключить от сети, иначе она придет во вращение в обратном направлении.

Выделяют также режим короткого замыкания асинхронной машины. В этом режиме , т.е. ротор неподвижен. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния.

Механическая характеристика асинхронного двигателя представляет собой зависимость развиваемого момента на валу М от скорости вращения п при U1 = const и f1 = const: . Момент на валу может быть также вычислен по формуле:

, (6.6)

где – мощность на валу.

На рисунке 6.4 а показана механическая характеристика асинхронного двигателя и механическая характеристика некоторого производственного механизма, приводимого во вращение двигателем.

а б

Рисунок 6.4 – Механические характеристики асинхронного двигателя

Уравнение моментов агрегата «двигатель – производственный механизм» имеет вид

, (6.7)

где – динамический момент агрегата, равный

, (6.8)

где J – момент инерции; – угловая скорость вращения.

Если при n = 0 пусковой момент больше момента сопротивления, как это показано на рисунке 6.4 а (MП > MСТ), то > 0, > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область на рисунке 6.4 а)

> 0. (6.9)

В точке 1 достигается равновесие моментов , = 0, = 0. Наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения и скольжением . Величина будет тем больше, чем больше MСТ, т.е. чем больше нагрузка двигателя. Если при работе двигателя увеличить статический момент производственного механизма (кривая 2 рисунок 6.4), то s возрастет, а n уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 рисунок 6.4), s уменьшится, а n возрастет.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если MСТ возрастет, то будет M < MСТ, < 0, < 0 и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также ЭДС E2 и ток I2 вторичной цепи. В результате электромагнитный момент M увеличивается, и уменьшение n (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов . При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении.

Точка 4 на характеристике соответствуют максимальному моменту двигателя и соответствующему скольжению, называемому критическим sКР. Зная , можно построить приблизительную механическую характеристику по формуле:

, (6.10)

где

= . (6.11)

где – кратность максимального момента, т.е. отношение максимального момента при номинальном напряжении к номинальному.

Условия устойчивой работы.

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и т.д.).

В общем случае, как показано на рисунке 6.4 б, характеристики двигателя могут иметь несколько точек пересечения (точки 1, 2, 3).

Условия устойчивости:

. (6.12)

Следовательно, в точках 1 и 3 работа устойчива, в точке 2 – нет. Режим работы в точке 3 на практике неприемлем, т.к. характеризуется, малой n, плохим КПД, большими токами в обмотках, вследствие чего, двигатель перегревается и выходит из строя. Оптимальным является участок от точки 4 влево.

Статический момент механизма может увеличиваться до точки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель либо остановиться, либо перейдет в точку 3. В обоих случаях он должен быть отключен.

Кроме того, при работе двигателя необходимо иметь некоторый запас по моменту, так как возможны кратковременные перегрузки случайного характера, а также кратковременные или длительные понижения напряжения сети.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости потребляемой мощности P1, первичного тока I1, коэффициента мощности cosφ1, момента на валу M, скольжения s и КПД от полезной мощности P2при работе с номинальным напряжением и частотой. Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы двигателя при различных нагрузках (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Пуск асинхронных двигателей.

При пуске в ход асинхронных двигателей необходимо учитывать:

– двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения;

– пусковой ток должен быть ограничен таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети;

– схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств – малыми.

Для пуска двигателя с короткозамкнутым ротором на практике используют следующие способы пуска:

1) Прямой пуск – включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. При этом пусковой ток двигателя .

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются таким образом, чтобы для них был возможен прямой пуск.

Если по условиям падения напряжения прямой пуск недопустим, то применяют следующие виды.

2) Реакторный пуск. При включении в сеть сначала двигатель получает питание через реактор, ограничивающий пусковой ток. При достижении нормальной скорости реактор шунтируется и на двигатель подается нормальное напряжение сети.

3) Автотрансформаторный пуск. Сначала на двигатель через автотрансформатор подается пониженное напряжение. После достижения двигателем определенной скорости посредством выключателя двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора, который в этом случае работает как реактор. Затем двигатель получает полное напряжение. Недостатком является усложнение и удорожание пусковой аппаратуры.

4) Пуск переключением «звезда — треугольник» может применяться в случаях, когда выведены все шесть концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник, например, когда двигатель на 380/220 В и с соединением обмоток Y/Δ работает от сети 220 В. В этом случае при пуске обмотка статора включается в звезду, а при достижении нормальной скорости вращения переключается в треугольник. При таком способе пуска по сравнению с прямым пуском при соединении обмотки в треугольник напряжение фаз обмоток уменьшается в раза.

Недостатком этого способа пуска по сравнению с реакторным и автотрансформаторным является то, что при пусковых переключениях цепь двигателя разрывается, что связано с возникновением коммутационных перенапряжений. В настоящее время используется сравнительно редко.

Последние три способа осуществляют пуск двигателя на пониженном напряжении, что ведет к снижению пускового и максимального моментов двигателя, которые, т.к. они пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому их можно использовать при пуске без нагрузки или незначительной нагрузке.

Пуска двигателя с фазным ротором осуществляют с помощью реостата в цепи ротора. При этом максимальный момент не снижается, а пусковой увеличивается. Подобрав сопротивление реостата можно добиться равенства пускового и максимального моментов. Включение сопротивления также снижает пусковой ток двигателя. Обычно реостат имеет от трех до шести ступеней, позволяя в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента. Недостатком такого пуска является его относительная сложность и необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором. В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя

.

В связи с этим возможны 3 способа регулирования скорости вращения асинхронных двигателей:

1) Регулирование скорости изменением первичной частоты – частотное регулирование. Такой способ требует применения источников питания с регулируемой частотой, поэтому он используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать или одновременно плавно регулировать скорость вращения. Недостатком способа является громоздкость аппаратуры и высокая стоимость.

2) Регулирование скорости изменением числа пар полюсов. Изменять p можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов p, 2) применением обмотки специального типа, которая позволяет получить различные значения p путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.

3) Регулирование скорости изменением скольжения. Можно реализовать несколькими путями:

а) уменьшением первичного напряжения.

При уменьшении U1момент двигателя изменяется пропорционально U12 и соответственно изменяются механические характеристики, в результате чего изменяются также значения рабочих скольжений s1, s2, s3,... при данном виде зависимости МСТ= f (s). Очевидно, что регулирование s в этом случае возможно в пределах 0 < s < sКР. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно sКРбыли достаточно велики. В связи с пониженным КПД применяется для двигателей малой мощности.

б) импульсное регулирование скорости.

Производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети либо путем периодического шунтирования с помощью контактора или полупроводниковых вентилей сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности.

в) включением реостата в цепь ротора.

В этом случае изменяется форма зависимости М = f (s) и механической характеристики n = f (M). При этом некоторому нагрузочному моменту MН соответствуют скольжения s1, s2, s3,…, большие, чем при естественной характеристике (при отсутствии реостата). Этот метод может быть использован только для двигателей с фазным ротором и позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатком является снижение КПД за счет потерь в реостате.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.