Асинхронный двигатель.Учебное пособие. Федеральное агентство по образованию гоу впо уральский государственный технический университет упи
 Скачать 5.29 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина" Кафедра "Электротехника и электротехнологические системы" Электротехника Асинхронный двигатель Учебное пособие Учебное электронное текстовое издание В.С. Проскуряков, С.В. Соболев Екатеринбург 2008 2 Оглавление 1. Конструкция асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Принцип действия асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. Механическая характеристика асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . 21 4. Потери энергии и КПД асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5. Паспортные данные асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6. Пуск и регулирование частоты вращения асинхронного двигателя . . . 28 3 1. Конструкция асинхронного двигателя Асинхронный двигатель потребляет электрическую энергию от трехфаз- ного источника и преобразует ее в механическую энергию, вращая приводной механизм. Общий вид и конструкция асинхронного двигателя общепромышленного применения показаны на рис. 1, 2. Устройство асинхронного двигателя схема- тично изображено на рис. 3. Рис. 1. Асинхронный двигатель АИР56А4У3 Статор состоит из станины 1, представляющий собой стальной полый ци- линдр, являющейся механическим остовом машины. Внутри станины крепится стальной цилиндрический сердечник магнитопровода статора 2. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы. В пазах статора уложены проводники обмотки статора 3. 4 Рис. 2. Конструкция асинхронного двигателя. 1-станина; 2-сердечник статора; 3-обмотка статора; 4-клеммная коробка; 5-сердечник ротора; 6-стержни обмотки ротора; 7-короткозамыкающие кольца; 8-вал; 9-подшипник; 10-подшипниковый щит; 11-вентилятор; 12-крышка вентилятора. 5 Рис. 3. Схема устройства асинхронного двигателя Рис. 4. Катушка обмотки статора. 1 – сердечник статора, 2 – пазовая часть ка- тушки, 3 – лобовая часть катушки 6 Обмотка статора трехфазная, т.е. состоит из трех одинаковых частей (фаз). Каждая фаза состоит из нескольких катушек, содержащих определенное количество витков медного провода и определенным образом соединенных ме- жду собой. На рис. 4 показана одна катушка обмотки статора, помещенная в пазы сердечника. Фазы обмотки статора размещены в пазах сердечника статора таким об- разом, что смещены друг относительно друга по окружности на 120. Схема расположения фаз обмотки статора показана на рис. 5. Здесь каждая фаза уп- рощенно представлена одним витком, стороны которого расположены в пазах. Начала и концы фаз обозначены: н1 и к1 – начало и конец первой фазы, н2 и к2 – второй фазы, н3 и к3 – третьей фазы. Такая трехфазная обмотка называется симметричной. Рис. 5. Расположение фаз обмотки статора Шесть электрических выводов трех фаз обмотки статора подведены к клеммной коробке 4 (рис. 3), расположенной на корпусе двигателя. Три фазы обмотки могут быть соединены между собой способом «звезда» либо «тре- угольник». Общий вид статора асинхронного двигателя с обмоткой показан на рис. 6. 7 Рис. 6. Статор асинхронного двигателя АОЛ-012/4. 1 – сердечник статора с пазами; 2 – обмотка статора; 3 – клеммная коробка Ротор асинхронного двигателя (вращающаяся часть) представляет из се- бя стальной цилиндрический сердечник 5 (рис. 3), являющийся частью магни- топровода. Ротор отделен от статора небольшим воздушным зазором. Наличие воздушного зазора обусловлено необходимостью свободного вращения ротора внутри статора. Магнитопровод ротора и магнитопровод статора образуют маг- нитную цепь асинхронного двигателя. Однако, как известно, воздушный зазор в магнитопроводе ухудшает свойства магнитной цепи, увеличивая ее магнитное сопротивление. Поэтому его величина должна быть как можно меньше. Прак- тически величина воздушного зазора может быть от 0,2 мм до 1,5 мм в зависи- мости от мощности и габаритов двигателя. Магнитопроводы статора и ротора шихтованные из листов электротехнической стали. Форма листов статора и ро- тора показана на рис. 7. 8 Рис. 7. Листы магнитопровода статора и ротора асинхронного двигателя На наружной поверхности сердечника ротора имеются продольные пазы. В этих пазах размещена обмотка 6 (рис. 3) ротора асинхронного двигателя. Об- мотка ротора может быть двух типов: «фазная обмотка» либо «короткозамкну- тая обмотка». Фазная обмотка ротора подобна обмотке статора, т.е. состоит из трех одинаковых частей (фаз). Каждая фаза фазной обмотки ротора состоит из не- скольких катушек, содержащих определенное количество витков медного про- вода и определенным образом соединенных между собой. Катушки трех фаз размещены в пазах сердечника ротора таким образом, что смещены друг отно- сительно друга по окружности на 120. Три фазы фазной обмотки ротора соеди- нены способом «звезда». При этом концы фаз соединены между собой и закре- плены на роторе, а начала трех фаз соединяются с внешней электрической це- пью. Для соединения начал фаз обмотки вращающегося ротора с неподвижной электрической цепью служат контактные кольца и электрические щетки (рис. 8). Три медных контактных кольца 2 расположены на валу ротора и изолирова- ны друг от друга. К каждому из колец присоединен один из проводов начала фазы обмотки ротора. К поверхности контактных колец прижимаются непод- вижные электрические щетки 3. 9 Рис. 8. Щеточный узел фазного ротора. 1 – фазная обмотка ротора, 2 – контакт- ные кольца, 3 – электрические щетки. Рис. 9. Асинхронный двигатель с фазным ротором ЭД101 1 – щетки; 2 – контактные кольца; 3 – подшипниковый щит 10 При работе машины контактные кольца, вращаясь вместе с ротором, скользят по неподвижным щеткам. Таким образом обеспечивается скользящий электрический контакт вращающейся обмотки ротора с неподвижной электри- ческой цепью. Общий вид асинхронного двигателя с фазным ротором показан на рис. 9. Короткозамкнутая обмотка ротора (рис. 10) существенно отличается от фазной обмотки. Она содержит в каждом пазу сердечника ротора один провод- ник, сечение которого повторяет (заполняет) сечение паза. Такой проводник на- зывают стержень обмотки ротора. Все стержни замкнуты между собой двумя короткозамыкающими кольцами, расположенными на торцах ротора. Стержни с кольцами образуют электрические контуры, по которым может замыкаться электрический ток. Иногда такую конструкцию обмотки ротора называют «бе- личья клетка». Рис. 10. Короткозамкнутая обмотка ротора. 1 – стержни обмотки, 2 – коротко- замыкающие кольца Короткозамкнутая обмотка ротора обладает рядом преимуществ, которые определяются простотой ее конструкции, технологичностью при изготовлении, надежностью при эксплуатации. Поэтому асинхронный двигатель с коротко- замкнутым ротором находит наиболее широкое применение. Хотя в некоторых случаях особенности фазной обмотки ротора имеют определяющее значение 11 при выборе типа двигателя. На рис. 11 показан общий вид ротора асинхронного двигателя с коротко- замкнутой обмоткой. На рис. 12 короткозамкнутая алюминиевая обмотка отли- та вместе с вентиляционными лопатками. Рис. 11. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя малой мощности 1 – вал; 2 – короткозамыкающее кольцо; 3 – шихтованный сердечник ротора; 4 – стержень обмотки ротора в скошенном полузакрытом пазу Рис. 12. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя 1 – вал; 2 – подшипник; 3 – короткозамыкающее кольцо с вентиляционными лопатками; 4 – шихтованный сердечник ротора; 5 - стержень обмотки ротора в скошенном полузакрытом пазу 12 Условное обозначение асинхронного двигателя в схемах электрических цепей показано на рис. 13. При развернутом обозначении способ соединения фаз обмотки статора показывается на схеме, при упрощенном обозначении – указывается условным знаком. а б в г Рис. 13. Условные обозначения асинхронного двигателя в схемах электрических цепей: а,б – развернутое; в,г – упрощенное На рис. 13 обозначения а и в соответствуют асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором и соединением фаз обмотки статора «звезда». Обо- значения б и г соответствуют асинхронному двигателю с фазным ротором и со- единением фаз обмотки статора «треугольник». Выводы начал и концов фаз обмотки статора выполняются на клеммной панели, расположенной на корпусе асинхронного двигателя. При этом они рас- полагаются в определенном порядке для удобства соединения фаз «звездой» и «треугольником». Расположение выводов фаз и их обозначение показано на рис. 14. 13 а б Рис. 14. Клеммная панель асинхронного двигателя Символами С1, С2, С3 обозначаются начала трех фаз обмотки статора, С4, С5, С6 – концы фаз. На рис. а три фазы соединены «звездой», б – «тре- угольником». 2. Принцип действия асинхронного двигателя Рассмотрение принципа действия асинхронного двигателя можно разде- лить на два этапа: первый этап – создание обмоткой статора вращающегося магнитного поля, второй этап – взаимодействие вращающегося магнитного по- ля с обмоткой ротора. Магнитное поле асинхронного двигателя Симметричная трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному источнику. При этом фазные токи симметричны, т.е. одинаковы по величине и отличаются по фазе на 3 1 часть периода. Временная диаграмма фазных токов показана на рис. 15. Обмотка статора с симметричным трехфазным током создает магнитное поле, распределенное в магнитной цепи асинхронного двигателя. Для анализа характера магнитного поля рассмотрим распределение его силовых линий в 14 разные моменты времени, обозначенные на рис. t 1 , t 2 , t 3 , t 4 через равные промежутки ∆t=T/3. Рис. 15. Временная диаграмма фазных токов обмотки статора Распределение силовых линий магнитного поля определяется направле- нием токов в проводниках обмотки статора, расположенных в его пазах. Для построения силовых линий магнитного поля удобно воспользоваться схематич- ным изображением магнитной цепи, подобно рис. 5 (рис. 16). Здесь каждая фаза трехфазной обмотки представлена одним витком, стороны которого находятся в диаметрально расположенных пазах. Три фазы смещены относительно друг друга по окружности на 120 0 . Проводники, соответствующие началам фаз, обо- значены символами А, В, С, концы фаз – X, Y, Z. На рис. 16 показаны силовые линии магнитного поля для трех моментов времени. t 1 t 2 t 3 Рис. 16. Силовые линии магнитного поля асинхронного двигателя в разные моменты времени 15 Направления токов в проводниках определяются их значениями в соответствии с временной диаграммой на рис. 15. В частности, в момент времени t 1 ток фазы А положителен (i A >0). На рис. 16 положительному значению тока соответствует направление за плоскость рисунка, которое обозначено в начале фазы А знаком « + ». В конце этой фазы X ток отрицателен, т.е. имеет обратное направление, которое обозначено знаком « •». Аналогично обозначены токи двух других фаз, которые в соответствии с временной диаграммой в этот момент времени имеют отрицательные значения (i B <0, i C <0). Как видно на рис. 16, в момент времени t 1 токи симметричной трехфазной обмотки распределились так, что образуют две группы соседних проводников с одинаковым направлением токов. Силовые ли- нии охватывают две группы проводников с одинаковым направлением токов, образуя внутри машины двухполюсное магнитное поле. Направление силовых линий определяется направлением токов в проводниках по правилу буравчика и указано на рисунке. Поскольку ток трехфазной обмотки переменный, очевидно магнитное по- ле, создаваемое этим током также изменяется. В частности, в момент времени t 2 фазные токи в соответствии с временной диаграммой: i A <0, i B >0, i C <0. При этом распределение токов в проводниках обмотки статора и силовые линии магнит- ного поля имеют вид как на рис. 16 для момента времени t 2 . Аналогично по- строена картина магнитного поля для момента времени t 3 , когда i A <0, i B <0, i C >0. Как видно на рис. 16, при питании обмотки статора трехфазным током создается двухполюсное магнитное поле. С изменением фазных токов это маг- нитное поле поворачивается в пространстве. При этом через равные промежут- ки времени ( ∆t=T/3) магнитное поле поворачивается в пространстве на равный угол (1/3 часть окружности). В момент времени t 4 распределение токов в об- мотке и магнитное поле повторяет момент t 1 , Таким образом, симметричная трехфазная обмотка статора асинхрон- ного двигателя, потребляющая от трехфазного источника симметричные фазные токи, создает равномерно вращающееся в пространстве магнитное поле 16 Направление вращения магнитного поля определяется последовательно- стью чередования фазных токов. При смене чередования фазных токов трех- фазной обмотки направление вращения магнитного поля также меняется на противоположное. Практически это осуществляется переключением фаз обмот- ки статора с прямого чередования на обратное. Частота вращения магнитного поля n 0 зависит от частоты тока источни- ка f. Как было показано, за один период изменения тока во времени магнитное поле поворачивается на один оборот. С увеличением частоты тока магнитное поле поворачивается на один оборот за меньшее время. Это означает, что частота вращения магнитного поля пропорциональна частоте тока в обмотке (n 0 ∼ f). Рис. 16 иллюстрирует создание магнитного поля простейшей трехфазной обмоткой, в которой каждая фаза образована одной катушкой со сторонами, на- ходящимися в диаметрально противоположных пазах. Как видно, такая обмотка создает двухполюсное магнитное поле. Конструкция обмотки может содержать большее количество катушек, иначе расположенных в пазах сердечника стато- ра. Например, на рис. 17 показано схематичное изображение трехфазной об- мотки асинхронного двигателя, где каждая фаза содержит по две катушки. а б Рис. 17. Четырехполюсная обмотка асинхронного двигателя Начала этих катушек находятся в диаметрально расположенных пазах, а 17 ширина катушки равна ¼ части окружности. Распределение токов и магнитных силовых линий в момент времени t 1 показано на рис. 17б. Как видно, такая об- мотка создает четырехполюсное магнитное поле. При этом за один период из- менения тока во времени магнитное поле поворачивается лишь на ½ окружно- сти, т.е. частота вращения магнитного поля в 2 раза меньше. Конструкция об- мотки статора может быть еще более сложной и содержать в каждой фазе еще большее количество катушек. При этом число полюсов создаваемого магнитно- го поля еще больше, а частота вращения – меньше. Частота вращения магнит- ного поля обатно-пропорциональна количеству полюсов. Количество полюсов создаваемого магнитного поля характеризуют параметром, называемым число пар полюсов (p). Таким образом, частота вращения магнитного поля асинхронного двига- теля определяется двумя параметрами: частотой тока в обмотке статора f и чис- лом пар полюсов p: p f n 60 0 = , [об/мин]. (1) Например, в табл. 1 приведены значения частоты вращения магнитного поля при разном числе пар полюсов обмотки при стандартной частоте тока f=50Гц. Табл. 1 p 1 2 3 4 5 n 0 , об/мин 3000 1500 1000 750 600 Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя создает- ся при взаимодействии вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора. Рис. 18 иллюстрирует процессы, происходящие при этом взаимодействии. 18 Рис. 18. Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора Здесь показаны стержни короткозамкнутой обмотки ротора. Вращающее- ся магнитное поле, связанное с ротором, представлено его силовыми линиями с индукцией В, направленными сверху вниз. Направление вращения магнитного поля – по часовой стрелке с частотой вращения n 0 . При вращении магнитного поля его силовые линии пересекают проводники обмотки ротора. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закона элек- тромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле (относи- тельно магнитного поля), индуцируется ЭДС e Величина этой ЭДС определяет- ся интенсивностью магнитного поля (индукцией В) и скоростью движения про- водника относительно магнитного поля v: Bvl e = 2 , (2) где l – длина проводников обмотки ротора. 19 Направление ЭДС e 2 в проводнике определяется по правилу правой руки. При этом необходимо иметь в виду, что вектор скорости определяется направ- лением движения проводника относительно магнитного поля. Например, на рис. 18 магнитное поле вращается по часовой стрелке. При этом относительно верхних проводников силовые линии движутся вправо. Это эквивалентно на- правлению движения проводника относительно магнитного поля влево, т.е. вектор скорости относительного движения проводника следует направить вле- во. С учетом этого направление ЭДС индукции в верхних проводниках обмотки ротора – из-за плоскости рисунка, а в нижних проводниках – за плоскость ри- сунка. Эти направления обозначены условными знаками «+» и « • ». В коротко- замкнутой обмотке ротора все стержни включены в замкнутую электрическую цепь посредством короткозамыкающих колец. В каждом стержне под действи- ем ЭДС е 2 возникает ток ротора (вторичный ток) i 2 того же направления, что и ЭДС. Величина этого тока определяется величиной ЭДС е 2 и полным сопротив- лением обмотки ротора Z 2 : 2 2 2 Z e i = . (3) При возникновении тока в обмотке ротора проявляется силовое действие магнитного поля, т.е. на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действует электромагнитная сила F эм . Величина этой силы определяется интен- сивностью магнитного поля (индукцией В ) и величиной тока i 2 : l Bi F 2 эм = . (4) Направление действия электромагнитной силы определяется в соответст- вии с правилом левой руки. При направлениях силовых линий и токов в обмот- ке ротора, показанных на рис. 18, направление электромагнитной силы, дейст- вующей на верхние проводники, - вправо, а на нижние – влево. Силы, дейст- вующие на все проводники обмотки ротора, складываясь, создают электромаг- нитный вращающий момент М эм , направленный по часовой стрелке. 20 2 2 эм эм 2 N D F M = , (5) где D 2 – диаметр ротора; N 2 – число проводников обмотки ротора. По действием этого вращающего момента ротор вращается с частотой вращения n в том же направлении, что и магнитное поле. При этом двигатель, вращая приводной механизм, совершает механическую работу. Для осуществ- ления реверса (изменения направления вращения) необходимо поменять на- правление вращения магнитного поля. Для этого достаточно переключить об- мотку статора так, чтобы изменить последовательность чередования фаз на противоположную. Таким образом, асинхронный двигатель, обмотка статора которого под- ключена к трехфазному источнику электроэнергии, создает электромагнитный вращающий момент и совершает механическую работу. Т.е. асинхронный дви- гатель преобразует электрическую энергию в механическую. Необходимым условием создания электромагнитного момента является неравенство частоты вращения ротора n и магнитного поля n 0 . Если ротор вра- щается с такой же частотой вращения, как и магнитное поле ( n = n 0 ), то провод- ники обмотки ротора относительно магнитного поля неподвижны, т.е. скорость относительного движения v =0. Тогда в соответствии с (2) ,(3) ЭДС е 2 в обмотке ротора равна нулю, и тока в обмотке нет ( i 2 =0). В соответствии с (4) электро- магнитная сила не создается ( F эм =0) и электромагнитный вращающий момент равен нулю. Т.е. механическая энергия не создается. Такой режим работы асин- хронного двигателя называется холостой ход. Частота вращения ротора, равная частоте вращения магнитного поля, называется синхронной. При частоте вращения ротора, меньшей синхронной (n ), относитель- ная скорость v ≠ 0 и в соответствии с (2), (3), (4) создается электромагнитный вращающий момент, не равный нулю, который определяет механическую мощ- ность двигателя. Таким образом, для создания вращающего электромагнитного момента 21 ротор и магнитное поле должны вращаться асинхронно. В связи с этим двига- тель носит название асинхронный. Разница между величинами частоты враще- ния ротора и магнитного поля характеризуется параметром, называемым скольжение ( s ). Скольжение определяется соотношением: 0 0 n n n s − = . (6) В режиме холостой ход, когда частота вращения ротора максимальна и равна синхронной, скольжение s =0. При неподвижном роторе, когда его часто- та вращения равна нулю ( n =0) скольжение s =1. Таким образом, во всем воз- можном диапазоне частоты вращения (от нуля до синхронной) скольжение ме- няется от s =1 до s =0. Поэтому скольжение удобно использовать для характери- стики режима работы асинхронного двигателя. 3. Механическая характеристика асинхронного двигателя Механической характеристикой называется зависимость частоты враще- ния двигателя от вращающего момента на валу. Она позволяет анализировать поведение двигателя при изменении его механической нагрузки. Общий вид механической характеристики можно определить графически, анализируя зави- симости каждого из параметров, определяющих электромагнитный вращающий момент. На рис. 19 показаны зависимости этих параметров от частоты вращения. Индукция магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, В 1 определя- ется величиной напряжения источника U 1 и частотой тока f . При неизменном напряжении и частоте тока источника индукция магнитного поля статора также неизменна, поэтому на графике зависимости от частоты вращения В 1 ( n ) изо- бражается прямой горизонтальной линией. 22 Рис. 19. Зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от частоты вращения ЭДС е 2 , индуцируемая в обмотке ротора, в соответствии с (2) при неиз- менной индукции магнитного поля пропорциональна скорости v относительно- го движения ротора и магнитного поля. Эта скорость определяется разностью частоты вращения ротора и магнитного поля, т.е. скольжением s (ось s на рис. 19) : s n D ) n n ( D v 0 2 0 2 π = − π = . (7) При изменении частоты вращения ротора от n =0 до синхронной ( n = n 0 ) скольжение меняется от 1 до 0. Это означает, что относительная скорость v и, следовательно ЭДС е 2 меняется от максимального значения до нуля. Такому изменению соответствует кривая е 2 на рис. 19. Изменение ЭДС е 2 вызывает из- менение тока i 2 в обмотке ротора, который в соответствии с (3) можно принять пропорциональным величине ЭДС е 2 . Кривая i 2 на рис. 19 подобна кривой е 2 Электромагнитный момент создается при взаимодействии обмотки рото- ра с магнитным полем. Однако, результирующее магнитное поле с индукцией В формируется совместным действием обеих обмоток: обмотки статора и обмот- 23 ки ротора, т.е. результирующее магнитное поле с индукцией В можно предста- вить состоящим из двух составляющих: первичного магнитного поля статора с индукцией В 1 и вторичного магнитного поля ротора с индукцией В 2 . При этом обмотка ротора, согласно явлению электромагнитной индукции и правилу Лен- ца, своим магнитным потоком препятствует первичному магнитному потоку. Такое взаимодействие называют размагничивающей реакцией ротора. Таким образом, индукция результирующего магнитного поля определяется соотноше- нием: 2 1 B B B − = . (8) Индукция В 2 вторичного магнитного поля, создаваемого током ротора, пропорциональна величине этого тока. На рис. 19 кривая В 2 подобна кривой i 2 , а кривая индукции В определяется разностью кривых В 1 и В 2 . Как видно, с уменьшением частоты вращения ротора от синхронной (n=n 0 ) до нуля индукция В результирующего магнитного поля уменьшается. Электромагнитные силы и, значит, электромагнитный момент, создаваемый двигателем, определяется в соответствии с (4) произведением индукции результирующего магнитного по- ля В и тока ротора i 2 . На рис. 19 произведение кривых i 2 и В дает график меха- нической характеристики М ( n ). При частоте вращения, равной синхронной (n=n 0 ), ток в роторе отсутствует и электромагнитный момент равен нулю. С уменьшением частоты вращения электромагнитный момент увеличивается за счет увеличения тока ротора. При дальнейшем уменьшении частоты вращения электромагнитный момент уменьшается за счет уменьшения индукции магнит- ного поля (реакции ротора). Следует отметить, что приведенный анализ не учитывает некоторых осо- бенностей явлений, происходящих в асинхронном двигателе, в частности фазо- вых соотношений всех синусоидальных величин, изменение частоты тока в ро- торе и других. Тем не менее зависимость вращающего момента асинхронного двигателя от частоты вращения имеет вид кривой М на рис. 19. Для анализа работы асинхронного двигателя в системе электропривода удобно изображать механическую характеристику как зависимость частоты 24 вращения от вращающего момента n = f ( M ). Это позволяет определять измене- ние частоты вращения при изменении момента нагрузки на валу и формировать алгоритмы регулирования частоты вращения. Механическая характеристика n = f ( M ) показана на рис. 20. Рис. 20. Механическая характеристика асинхронного двигателя Точка 1 механической характеристики соответствует режиму холостой ход асинхронного двигателя, когда частота вращения равна синхронной, а скольжение s=0. При этом вращающий момент М =0. Точка 4 соответствует пусковому режиму, когда частота вращения n =0, а скольжение s =1. В этом ре- жиме двигатель создает пусковой момент М пуск . Точка номинального режима работы находится на рабочей ветви механической характеристики 1-3 (точка 2). В этом режиме двигатель развивает номинальный момент М ном и вращается с номинальной частотой вращения n ном . При этом скольжение равно номиналь- ному s ном . Как видно, номинальная частота вращения близка к синхронной. Точка 3 соответствует критическому режиму, когда двигатель развивает мак- симальный момент М макс . При превышении момента нагрузки над максималь- ным двигатель останавливается. 25 Для аналитического описания удобно использовать упрощенное аналити- ческое выражение зависимости момента от скольжения: s s s s M M кр кр макс 2 + = , (9) где s кр – критическое скольжение. Это выражение позволяет получить достаточно точный результат в рабо- чей части механической характеристики. 4. Потери энергии и коэффициент полезного действия асинхронного двигателя. Преобразование энергии в асинхронном двигателе сопровождается поте- рями энергии. В АД можно выделить четыре источника потерь. Во-первых, обмотка статора обладает определенным электрическим со- противлением. Ток в этой обмотке создает электрические потери, пропорцио- нальные квадрату тока и сопротивлению: 1 2 1ф э1 3 R I p = ∆ . (10) где 1ф I - фазный ток обмотки статора; 1 R - сопротивление фазы обмотки статора. Во-вторых, в магнитной цепи асинхронного двигателя создается пере- менное магнитное поле. При этом, как известно из теории магнитных цепей, возникают магнитные потери в магнитопроводе ( ∆p маг ), которые складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике. Для уменьшения этих потерь магнитопровод якоря выполняется шихтованным из листов электротех- нической стали. Магнитные потери составляют от 1 до 3 %. В-третьих, в обмотке ротора возникают электрические потери, опреде- ляемые сопротивлением обмотки ротора и током в ней: 26 2 2 2 э2 3 R I p = ∆ . (11) В-четвертых, при вращении ротора возникают потери от трения в под- шипниках, трения вращающихся частей о воздух (вентилляционые потери), ко- торые объединяются в механические потери ( ∆p мех ) и составляют от1 до 2%. Полезная мощность образуется из потребляемой за вычетом всех потерь. Энергетический баланс асинхронного двигателя иллюстрируется диаграммой на рис. 21. Рис. 21. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя Асинхронный двигатель потребляет от трехфазного источника электри- ческую энергию мощностью Р 1 . Часть энергии тратится на электрические поте- ри в обмотке статора, магнитные потери, электрические потери в обмотке рото- ра и механические потери. Оставшаяся энергия, преобразованная в механиче- скую (Р 2 ), передается рабочему механизму, который вращается двигателем с частотой вращения n: ) p p p p ( P P мех 2 эл маг 1 э 1 2 ∆ + ∆ + ∆ + ∆ − = . (12) Полезная мощность двигателя определяется вращающим моментом М на его валу и частотой вращения n: 55 9 мех 2 , Mn P P = = , [Вт]. (13) Коэффициент полезного действия двигателя определяется соотношением полезной и потребляемой мощностей: p P P P P Σ∆ + = = η 2 2 1 2 . (14) 27 К.п.д. асинхронного двигателя зависит от мощности. При номинальной мощности машины 100кВт номинальный к.п.д. 85 ÷90%, а при номинальной мощности 100Вт – 60-65%. Следует иметь в виду, что номинальной мощностью двигателя считается полезная, т.е. механическая мощность, отдаваемая потребителю: 55 9 2 , n M P P ном ном ном ном = = . (15) 5. Паспортные данные асинхронного двигателя Паспортные данные асинхронного двигателя определяют его номиналь- ный режим работы, позволяют рассчитывать характеристики, анализировать режимы его работы. В табл. 2 приведен перечень параметров асинхронного двигателя, состав- ляющих его паспортные данные. Табл. 2 Паспортные данные асинхронного двигателя № Наименование Обозначение 1 Номинальная мощность P ном , кВт 2 Номинальное напряжение ( / ) U ном , В 3 Номинальная частота тока f, Гц 4 Номинальная частота вращения n ном , об/мин 7 Номинальный КПД η ном , % 5 Номинальный коэффициент мощности cosφ ном , д.е. 6 Кратность максимального момента М макс /М ном 7 Кратность пускового момента М пуск /М ном 28 Номинальная мощность двигателя P ном - механическая мощность на валу, определяемая номинальными моментом и частотой вращения: 55 9 ном ном ном , n M P = . (16) Номинальная частота f и номинальное напряжение ( / ) U ном – час- тота и напряжение трехфазного источника электроэнергии, к которому под- ключается асинхронный двигатель при разном способе соединения фаз обмотки статора. Например, U ном = 380/220 В означает, что при соединении фаз обмотки способом «звезда» двигатель подключается к трехфазному источнику напряже- нием 380В, а при соединении «треугольником» - 220В. Номинальная частота вращения n ном – частота вращения ротора в номи- нальном режиме работы при номинальном моменте нагрузки на валу. Номинальный коэффициент мощности cosφ ном – коэффициент мощности двигателя в цепи синусоидального тока в номинальном режиме работы. Кратность максимального момента М макс /М ном – отношение максимально- го момента к номинальному, определяет перегрузочную способность двигателя. кратность пускового момента М пуск /М ном – отношение пускового момента к номинальному, определяет пусковые свойства двигателя. Паспортные данные двигателя определяются при его проектировании и разработке, уточняются при контрольных испытаниях и указываются в техни- ческом паспорте двигателя. Для типовых асинхронных двигателей серийного производства паспортные данные указываются в каталогах оборудования. 6. Пуск и регулирование частоты вращения асинхронного двигателя Пуск асинхронного двигателя Для пуска асинхронного двигателя его обмотка статора подключается к трехфазному источнику с помощью коммутирующей аппаратуры. В момент подключения двигатель потребляет значительный пусковой ток. Пусковой ток 29 асинхронного двигателя может превышать номинальный в несколько раз ( ном пуск 6 4 I ) ( I ÷ = ). Такие резкие изменения тока отрицательно сказываются на работе электрической сети и других электроприемников, подключенных к этой сети. При мощности двигателя, не превышающей 30% мощности сети, та- кое влияние допустимо, и пуск асинхронного двигателя осуществляется непо- средственным подключением его обмотки к сети. Такое включение носит на- звание «прямой пуск». Для ограничения пускового тока мощных двигателей в цепь обмотки ста- тора на время пуска вводят дополнительные элементы: резисторы, реакторы, автотрансформаторы. Однако, такой способ приводит к снижению пускового момента, что ограничивает его применение. Обеспечение хороших пусковых свойств предусматривается конструкци- ей двигателя. В частности, существенное значение имеет форма паза ротора, в который укладывается короткозамкнутая обмотка. На рис. 22 показаны приме- ры таких пазов. Такая особенность конструкции обмотки ротора ограничивает пусковой ток ( ном пуск 0 5 5 3 I ) , , ( I ÷ = ) и обеспечивает большой пусковой мо- мент ( ном пуск 3 2 М ) ( М ÷ = ). Рис. 22. Формы пазов ротора с короткозамкнутой обмоткой Регулирование частоты вращения Частота вращения ротора асинхронного двигателя определяется частотой вращения магнитного поля (синхронной частотой вращения). При этом их ве- 30 личины различаются незначительно (номинальное скольжение s ном =0,01 ÷0,1). Синхронная частота вращения в соответствии с (1) определяется числом пар полюсов обмотки статора и частотой тока в обмотке: p f n 60 0 = . (17) Таким образом, для регулирования частоты вращения асинхронного дви- гателя можно менять число полюсов обмотки, либо частоту тока в ней. Изменение числа полюсов (полюсное регулирование) возможно лишь в специальных многоскоростных асинхронных двигателях, у которых конструк- ция обмотки статора предусматривает возможность ее переключения и измене- ния числа полюсов вращающегося магнитного поля. Например, при переклю- чении обмотки с числа пар полюсов p=1 на p=2 синхронная частота вращения уменьшается в 2 раза. Механическая характеристика изменяется, как показано на рис. 23. Рис. 23. Механические характеристики асинхронного двигателя при полюсном регулировании При неизменном моменте нагрузки М нагр рабочая точка смещается из 1 в 2, т.е. частота вращения уменьшается приблизительно в 2 раза. Такой способ регулирования многоскоростных асинхронных двигателей позволяет изменять 31 частоту вращения ступенчато, при этом количество ступеней ограничено (2-3). Изменение частоты тока позволяет регулировать частоту вращения плав- но и в более широком диапазоне. Такой способ называется «частотным регу- лированием». Для частотного регулирования двигатель подключается к полу- проводниковому преобразователю частоты ПЧ (рис. 24), который позволяет изменять частоту тока по заданному алгоритму, либо по сигналу системы управления СУ. Пропорционально частоте тока меняется синхронная частота вращения магнитного поля. При этом механическая характеристика двигателя меняется, как показано на рис. 25, а рабочая точка и частота вращения ротора плавно смещаются в направлении изменения частоты тока. Плавное изменение частоты вращения и более широкий диапазон изменения определяют преимущества час- тотного регулирования асинхронного двигателя. Рис. 24. Схема включения асинхронного двигателя с частотным регулированием 32 Рис. 25. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании 33 Учебное электронное текстовое издание Проскуряков Валерий Степанович Соболев Сергей Владимирович Электротехника Асинхронный двигатель Учебное пособие Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Объем 1,9 уч.-изд. л. Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: vpros@mail.ru Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru |