Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца

• Название: Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
• Дата: 29.10.2022
• Размер: 1.79 Mb.
• Имя файла: 216781-51125.docx
• Тип: Закон; #761326
• страница: 12 из 17

27. Применение различных типов электродвигателей в электроприводе. Сравнительные характеристики и области применения. Трехфазные асинхронные электродвигатели. Их преимущества и недостатки. Устройство и принцип работы.

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого электрического двигателя, что в свою очередь обеспечивает продолжительную надежную работу электропривода и высокую эффективность технологических и производственных процессов в промышленности, на транспорте, в строительстве и др.

При выборе электрического двигателя для привода производственного механизма, в общем, руководствуются следующими рекомендациями:

1. Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду механической характеристики, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.

2. Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надежный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имеющий наименьшие габариты, массу и стоимость.

3. Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надежность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но в целом технико-экономические показатели всего электропривода.

 Из всех типов электрических двигателей общепромышленного применения таким требованиям в наибольшей степени отвечают асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ). Эти двигатели обычно питаются непосредственно от трехфазной сети и являются самыми простыми по конструкции, наиболее надежными в эксплуатации, практически не требуют обслуживания и при одинаковой мощности имеют наименьшие массу, габаритные размеры и стоимость.

По этой причине асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором нашли самое широкое применение во многих отраслях промышленности для приводов различных механизмов: конвейеров, транспортеров, подъемных и поворотных механизмов, толкателей, заслонок, насосов, вентиляторов, компрессоров и т. д. Однако эти двигатели имеют два существенных недостатка: сложность плавного регулирования частоты вращения и высокая кратность (4 - 6) пускового тока по отношению к номинальному. Поэтому двигатели с короткозамкнутым ротором применяются при относительно небольшой частоте включений в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности ( до 50 – 100 кВт) , когда не требуется плавного регулирования частоты вращения или когда может использоваться ступенчатое регулирование (многоскоростные двигатели с изменяемым числом пар полюсов).

 В настоящее время резко возрос интерес к использованию простых, дешевых и экономичных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в частотно-регулируемом электроприводе, в котором плавность регулирования и широкий диапазон достигается за счет питания двигателя от тиристорного (транзисторного) преобразователя частоты (ТПЧ). Кроме того, частотно-регулируемый привод заметно улучшает пусковые свойства двигателя – снижает пусковой ток и обеспечивает плавный запуск двигателя, резко снижает электрические и механические ударные нагрузки, поэтому несмотря на высокую стоимость частотно-регулируемый привод все шире применяется в системах тепло-водоснабжения для привода насосов, вентиляторов, в лифтовом хозяйстве и др.

Кроме асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором часто используются асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР), которые позволяют в достаточном диапазоне осуществлять плавное регулирование частоты вращения, но отличаются более сложной конструкцией и имеют значительно большие относительные массы, габариты и стоимость. Кроме того, эти двигатели уступают асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором в простоте управления и надежности в работе, однако обладают хорошими пусковыми свойствами, т. к. с помощью реостата, включенного в роторную цепь, позволяют уменьшить пусковой ток и одновременно увеличить пусковой момент. Этот тип двигателей широко используются при работе в напряженных режимах с частыми пусками и остановами - в механизмах подъемных устройств, конвейеров, транспортеров и др., требующих плавного пуска и регулирования скорости перемещения.

 Другой весьма распространенный в промышленности тип машин переменного тока - синхронные двигатели – отличаются сложной конструкцией и высокой стоимостью, практически не регулируются, однако обладают высокими экономическими характеристиками и применяются в нерегулируемом электроприводе большой мощности (более 50 – 100 кВт) для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов, дымососов.

В ряде случаев производственные механизмы требуют глубокого и плавного регулирования частоты вращения, высокого качества переходных процессов, больших пусковых и тормозных моментов. В этих случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании чаще всего применяются различные типы двигателей постоянного тока, питающихся от преобразователей переменного тока. В подъемных установках и кранах используются чаще всего двигатели последовательного или смешанного возбуждения, имеющие большой пусковой момент и наиболее подходящую характеристику. Двигатели постоянного тока независимого возбуждения используются в автоматизированных электроприводах, когда необходимо глубокое регулирование частоты вращения при высоком качестве переходных процессов.

Асинхронный двигатель (АД) – это электрическая машина, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, работа которой основана на использовании вращающегося магнитного поля (ВМП), и частота вращения которой n₂ несколько меньше, чем синхронная частота вращения ВМП n₁ (n₂ < n₁).

Достоинства АД:

- простота конструкции; низкая стоимость; надежность и безопасность в работе; высокие эксплуатационные качества (практически не требуют обслуживания); жесткая механическая характеристика; достаточно высокая экономичность мощных АД.

Недостатки АД: АД – основные потребители реактивной индуктивной мощности (65 - 70%), что приводит к снижению коэффициента мощности cos φ потребителя ЭЭ. В связи с этим оплата получаемой ЭЭ производится по повышенному тарифу или для снижения таких расходов требуется установка соответствующих компенсирующих устройств (возрастают капитальные затраты); большой пусковой ток – кратность ;

- низкие пусковые свойства (низкий пусковой момент) ;

- сложность регулирования частоты вращения, поэтому АД обычно используют в нерегулируемом ЭП малой и средней мощности (P <= 50 - 100 кВт).

Асинхронный двигатель состоит из двух частей, разделенных тонким воздушным зазором:

1. Статор – это неподвижная часть АД, он состоит из алюминиевого или чугунного корпуса, внутри которого расположен полый цилиндрический ферромагнитный сердечник.

2. Ротор – это вращающаяся часть АД, он представляет собой сплошной ферромагнитный цилиндр, укрепленный на валу машины.

Сердечник статора набирается из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака для уменьшения потерь от вихревых токов при перемагничивании. Он запрессовывается в станину. Станина выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов, из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка. Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с₁, с₂, с₃, а концы – с₄, с₅, с₆. Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже из алюминия.

Начала и концы фаз выведены на клеммник , закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора.

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Поэтому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из стержней, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами. Такая обмотка напоминает “беличье колесо”, её называют “беличьей клеткой”. Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины.

Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Для получения вращающего магнитного поля должны соблюдаться следующие условия: наличие не менее двух обмоток, токи в обмотках должны отличаться по фазе и оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов р=1. Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120°. К трём катушкам подключается три одинаковых напряжения, которые разнятся только фазами:

UA=Umsin(ωt) . UB=Umsin(ωt+2π3) .

UC=Umsin(ωt+4π3)

Вначале напряжение на А максимально, два других В и С не равны 0, но они гораздо меньше и имеют другое направление. Магнитное поле расположено вдоль оси катушки. Суммарное магнитное поле - укороченный вектор А вдоль оси А. На фазе А напряжение достигает амплитудного значения. Через треть периода магнитное поле максимально на фазе В, суммарное магнитное поле - укороченный вектор В вдоль оси В. Ещё через треть периода магнитное поле максимально на фазе С, суммарное магнитное поле – укороченный вектор С вдоль оси С. Далее всё повторяется. За один период магнитное поле, оставаясь неизменным, повернулось на один полный оборот. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Частота вращения магнитного поля n₁ зависит от частоты питающей сети f и числа пар полюсов обмотки статора р: n1=60 fp

Обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n₁. Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки: силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля. В обмотке ротора появится ток, направление которого будет совпадать с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки: силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора. Электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n₂. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора двигателя  n₂ всегда меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля  n₁ . Причина асинхронного вращения ротора заключается в том, что если ротор вращается синхронно с частотой поля   n₂ = n₁, то его обмотка не пересекается магнитным полем и в ней не наводится ЭДС и отсутствует ток. При синхронном вращении ток в роторе отсутствует и электромагнитный момент двигателя равен нулю. К валу двигателя всегда приложен некоторый тормозной момент трения или нагрузки, под действием которого двигатель замедляет свой ход до тех пор, пока в роторе не появится ток, необходимый для обеспечения соответствующего вращающего момента, после чего двигатель продолжит вращаться с установившейся частотой вращения  меньше синхронной  n₂ < n₁  .

28. Основные характеристики трехфазных асинхронных электродвигателей. Способы пуска и регулирования частоты вращения. Реверсирование и способы электрического торможения асинхронных электродвигателей.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД

1. МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения ротора от величины нагрузки на валу двигателя:   n₂ (M _нагр).
М _нагр – тормозной момент нагрузки на валу АД.

При увеличении нагрузки на вал электродвигателя от холостого хода до номинальной частота вращения n₂ несколько снижается (на 3..7%). - механическая характеристика имеет слабо падающий вид при увеличении нагрузки. Другими словами, частота вращения АД слабо зависит от нагрузки, поэтому такая характеристика называется жесткой.

М _пуск – пусковой момент АД (точка пуска).

М _н1 и М _н2 - тормозной момент нагрузки (Н1 и Н2), приложенный к валу АД при пуске.

Если пусковой момент АД превышает момент нагрузки М _пуск > М _н1 , то при включении АД в сеть происходит запуск и разгон электрического привода.

Если пусковой момент АД меньше, чем момент нагрузки М _пуск < М _н2 , то при включении АД в сеть запуска двигателя не происходит, т.е. ротор АД остаётся неподвижным. При этом АД находится в режиме короткого замыкания, что может привести к быстрому перегреву и выходу двигателя из строя.

Точка максимального момента разделяет зависимость М(n) или M(s) на устойчивую и неустойчивую части и определяет перегрузочную способность АД – λ _max = М _max / М _ном. Если тормозной момент нагрузки М _Н, приложенный к валу АД, по какой либо причине становится больше максимального, то происходит останов работающего АД (так наз. «опрокидывание двигателя») и возникновение режима короткого замыкания АД.



2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ (ЭКОНОМИЧЕСКИЕ) ХАРАКТЕРИСТИКИ:
зависимости КПД и коэффициента мощности (КМ cos φ) от мощности нагрузки на валу ЭД η (P₂); cos φ (P₂)



Способы пуска асинхронного двигателя

 В момент пуска любого электрического двигателя (АД, ДПТ, СД), когда ротор неподвижен  n₂ = 0, а обмотка статора включена в сеть, двигатель находится в самом тяжелом (аварийном) режиме - в режиме короткого замыкания. Поэтому рекомендуется избегать частых пусков электрического двигателя , а сам процесс пуска и разгона двигателя до номинального режима не должен быть длительным.

В зависимости от мощности АД используют два способа пуска:

1) Прямой пуск

Используется для АД малой мощности: обмотка статора АД с помощью простейшей аппаратуры (контактор, пускатель) включается в питающую сеть на номинальное напряжение.

Достоинства: - способ очень прост, дешев, экономичен, не требует специальной аппаратуры.

Недостатки:

- сравнительно небольшой пусковой момент - кратность пускового момента:  М _пуск / М _ном  ≈ 1,4 - 1,8;

- очень большой пусковой ток – кратность пускового тока I _пуск / I _ном  ≈ 4 - 6.

В результате большого пускового тока происходят:

- дестабилизация питающего напряжения (в момент пуска напряжения сети кратковременно снижается);

- большие электрические и тепловые перегрузки питающей сети, пусковой аппаратуры и самого двигателя;

- возникают сильные динамические (ударные) нагрузки на вал двигателя и передаточные устройства.

2) Пуск АД при пониженном напряжении

Используется для пуска АД средней и большой мощности с целью снижения пускового тока и устранения связанных с этим недостатков прямого пуска.

При пуске на статор подается пониженное по сравнению с U_ном напряжение.

В качестве специальных устройств для снижения напряжения на статоре часто используются достаточно дешёвые индуктивные катушки - реакторы, включаемые последовательно с обмоткой статора.

Схема реакторного пуска



При этом напряжение на статоре U₁ = U_ном – ΔU,

где - ΔU – падение напряжения на реакторе.

При пуске и разгоне напряжение на статоре снижается за счет падения напряжения на реакторе ΔU, а после окончания разгона реактор шунтируется пускателем П₂, и на статор подаётся номинальное напряжение.

Иногда для снижения напряжения на статоре применяют более дорогие устройства – автотрансформаторы.

Достоинства: - снижается пусковой ток.

Недостатки: - более сложная схема пуска; при пониженном напряжении на статоре резко снижается пусковой момент (вращающий момент АД ), что заметно ухудшает условия запуска АД.