Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

3-Б курс, 6-ти летки Калинина Т.В 2 / МУ для выполнения КР ЭиЭ

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

26.02.2016

Размер:

4.55 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1310 11 12 13 > Следующая >>>

Рис. 6.1. Конструкция статора асинхронного двигателя:

1 — станина; 2 — сердечник; 3 — обмотка; 4 — лапа; 5 — прокладка

Асинхронные машины различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной (рис.

6.2).

Рис. 6.2. Общий вид ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками

Короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка» состоит из толстых проводящих стержней, выполненных из меди или алюминия, соединенных по торцам медными или алюминиевыми кольцами. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора.

Устройство фазной обмотки ротора аналогично устройству обмотки статора. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и у обмотки статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединяется к трехфазному реостату для улучшения условий пуска двигателя.

На рис. 6.3 изображен общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой, на рис. 6.4 – с фазной обмоткой, а на рис. 6.5 приведены условные обозначения асинхронных машин с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором на схемах.

Рис. 6.3. Общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора

Рис. 6.4. Условные обозначения асинхронных машин на схемах замещения с короткозамкнутым (а) и фазным ротором (б)

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

В основе принципа действия асинхронного двигателя лежит преобразование электрической энергии, получаемой от источника (генератора переменного тока), в механическую энергию. Преобразование электрической энергии в механическую в первую очередь возникает за счет того, что токи обмоток статора, подключенных к трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора.

Для создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной системы токов предназначены три катушки, расположенные в пазах статора двигателя, сдвинутые в пространстве на 120° одна относительно другой (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Образование вращающегося магнитного поля трехфазного тока

Вектор магнитной индукции поля, созданного токами в обмотках статора, последовательно совпадает по направлению с осью той из фазных обмоток, в которой ток достигает максимального значения, т.е. поле вращается в направлении последовательности фаз трехфазной системы токов в фазных обмотках. Вращающееся поле перемещается в воздушном зазоре с частотой вращения:

где f1 – частота питающей сети; р – число пар полюсов статора.

Чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, достаточно изменить порядок подключения двух любых фазных обмоток асинхронной машины к трехфазному источнику электрической энергии.

Силовые линии магнитного поля статора пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции (E=Bvl), в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Так как обмотка ротора замкнута, под действием индуцированной ЭДС в ней возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера (F=BIl) на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные или механические силы,

которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие электромагнитные или механические силы начинают раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Принцип работы АД:

1 – обмотка статора; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – обмотка ротора

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, т.к. тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор АД вращается частотой, меньшей частоты вращения поля, т.е. несинхронно с полем, или асинхронно.

Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какоголибо исполнительного механизма (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Mнагр исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1 , поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность Р2 и передается исполнительному механизму.

Если силы или нагрузка на валу ротора, тормозящая вращение ротора, невелика, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Основные характеристики асинхронных машин

Одной из важнейших характеристик АД, присущей только этому типу электрических машин, является скольжение.

Скольжение S – это отношение разности между частотой вращения магнитного поля статора n1 и частотой вращения ротора n2 АД к частоте вращения магнитного поля n1:

Отсюда частота вращения ротора:

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют

номинальным скольжением sном

где nном – номинальная частота вращения ротора, об/мин. Скольжение АД может изменяться в следующих пределах:

0 S 1 .

Предельные режимы работы двигателя: ротор неподвижный (n2 = 0): s = 1;

ротор вращается с синхронной частотой (n2 = n1): s = 0.

Первый режим на практике имеет место при каждом пуске или торможении двигателя до его остановки. Второй режим возможен только в том случае, когда ротор двигателя доразгоняется до частоты вращения n1 дополнительным источником механической энергии, например, энергией падающего груза подъемной машины. Но в этом случае машина перестает выполнять функции двигателя. У большинства асинхронных машин скольжение колеблется от 0,01 до

0,06 или 1-6%.

Вращающееся магнитное поле, распределенное вдоль воздушного зазора по закону синуса, пересекает проводники обмотки статора и наводит в ней переменную синусоидальную ЭДС, действующее значение которой по аналогии с трансформаторной ЭДС имеет следующий вид:

где w1 – число витков фазы обмотки статора, Ко1 – обмоточный коэффициент статора, f1 – частота тока питающей сети, Фm – амплитуда магнитного потока.

Для ЭДС фазы неподвижного ротора имеем

где w2 – число витков фазы обмотки ротора, Ко2 – обмоточный коэффициент ротора.

При неподвижном роторе частота индуцируемой в его обмотке ЭДС равна частоте питающей сети.

Коэффициент трансформации АД, характеризующий отношение ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора:

Частота ЭДС фазы вращающегося ротора

Откуда выражение для действующего значения ЭДС вращающегося ротора имеет следующий вид:

Таким образом, ЭДС обмотки ротора пропорциональна скольжению.

Токи в неподвижном роторе I2 и во вращающемся роторе I2S, находят из выражений:

I		Е2		E2
	2	Z 2
	2			R 2	X 2
				R 2	X 2
			2		2

I		E2S		E2
	2S	Z2S
	2S		R2	2


				X 2
				X 2
			s	2
			s

где R2, Х2 – активное и индуктивное электрические сопротивления обмотки неподвижного ротора, Ом.

Индуктивное сопротивление вращающегося ротора

Х 2S X 2 s

ЭДС фазной обмотки ротора изменяется в пределах 0 Е2S Е2 , т.е. име-

ет максимальное значение при неподвижном роторе и минимальное значение при наименьшем скольжении ротора, когда двигатель работает вхолостую. Ток, протекающий по обмотке ротора, имеет наибольшее значение при неподвижном роторе (Е2S=max) и наименьшее – при работе двигателя вхолостую

(Е2S=min).

Вращающий или электромагнитный момент любого электродвигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током

МсМ IФ или

m1U12r2'

s[( r

r 1

/ s )2 ( x

)2 ]

М Pмех /

, [Н·м] или

1 2

где с 1 x1 / xm

1,08 – величина, постоянная для данной машины и

зависит от ее конструктивных параметров, ωр – угловая скорость ротора, Рмех – механическая мощность на валу двигателя.

Таким образом, при s=0 вращающий момент исчезает, при s=∞ вращающий момент также обращается в нуль.

Вращающий момент М АД пропорционален квадрату напряжения питания U1, что делает его очень чувствительным к изменению напряжения сети. Поэтому даже небольшие колебания напряжения питания приводят к заметному изменению вращающего момента и частоты вращения двигателя. Снижение напряжения может привести к не запуску двигателя.

Зависимость вращающего момента от скольжения и механическая характеристика АД

Вращающий момент АД является функцией скольжения. Задаваясь различными значениями скольжения от нуля до единицы, можно построить зависимость M=f(s) (рис. 6.7).

При скольжении s=1 двигатель развивает пусковой момент Мп. При скольжении s=0,12 … 0,2 – максимальный момент Мmax и при s=0,01 … 0,06 –

номинальный момент Мном.

Рис. 6.7. Зависимость вращающего момента от скольжения M=f(s)

При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу начинает вращение с синхронной частотой n1. Ротор под влиянием сил инерции в момент пуска остается неподвижным. Под действием пускового момента ротор двигателя начинает вращение. При sкр ротор достигает максимального вращательного момента.

Участок АВ соответствует неустойчивому режиму работы двигателя: с

увеличением момента нагрузки скольжение увеличивается, вращающий момент уменьшается, скольжение возрастает еще больше и т.д. Двигатель останавливается и начинает быстро нагреваться, так как при s = l его пусковой ток в 6—7 раз превышает номинальное значение.

Достигнув максимального вращательного момента, двигатель входит в

устойчивый режим работы (участок ОА). Со временем наступает установив-

шийся режим работы двигателя, когда вращательный момент двигателя уравновешивается тормозным моментом, складывающимся из момента х.х. и полезного нагрузочного момента. При этом двигатель устойчиво вращается с уменьшенной частотой. Таким образом, при s<sкр изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.

Максимальный момент двигателя Мmax определяет перегрузочную способность двигателя. В каталогах и справочниках по АД значения пускового и максимального моментов задаются в виде отношений этих величин к номинальному моменту двигателя:

где λ – коэффициент перегрузочной способности; Kп – кратность пускового момента.

Для нахождения Мmax и Мп предварительно вычисляют номинальный момент двигателя

где Рном – номинальная мощность двигателя, кВт; номинальная частота

вращения ротора, об/мин.

Для построения зависимости вращающего момента от скольжения используют выражение

где	максимальное скольжение.
	Механической характеристикой двигателя называется зависимость скоро-

сти вращения ротора двигателя от момента, развиваемого двигателем n2=f(M) (рис. 6.8). Для получения механической характеристики используют формулу

Из характеристики видно, что с увеличением момента нагрузки частота вращения двигателя уменьшается незначительно. Если момент нагрузки превы-

сит максимальный момент двигателя	, то частота вращения двигателя ла-
винообразно уменьшится до нуля.

Рис. 6.8. Механическая характеристика двигателя n2=f(M)

Еже одной важной характеристикой двигателя является значение его пускового тока Iп. Для того, чтобы определить пусковой ток двигателя рассчитывают номинальный ток двигателя по формуле

где P1 – мощность потребляемая двигателем из сети, Вт; Pном – номинальная мощность двигателя, Вт; номинальное линейное напряжение двигателя, В; номинальный коэффициент мощности двигателя; номи-

нальный КПД двигателя.

В каталогах и справочниках по АД значения пускового тока задается в виде отношения этой величины к номинальному току двигателя:

гдеKI – кратность пускового тока.

КПД и коэффициент мощности

Преобразование электрической энергии в механическую в АД, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии. Поэтому полезная мощность на выходе двигателя всегда меньше мощности на входе (потребляе-

мой) на величину потерь Р2 Р1 Р . Потери ∑Р преобразуются в теплоту, что приводит к нагреву машины.

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в обмотках статора и ротора Рм, потерь в магнитопроводе Рс, механических Рмех и добавочных потерь Рдоб.

КПД двигателя рассчитывают по формуле

где Р1 – мощность, потребляемая двигателем из сети.

КПД асинхронного двигателя зависит от нагрузки. При номинальном режиме работы двигателя η= 0,9–0,95. Чем больше расчетная мощность двигателя, тем выше его КПД.

Режимы работы асинхронной машины

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора. Выделяют следующие режимы:

1)режим двигателя (0 < s < 1, n2<n1) трехфазная асинхронная машина преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

2)режим генератора (s < 0, n2>n1) трехфазная асинхронная машина преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается

внаправлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

3)режим электромагнитного тормоза противовключением (s > 1) ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия в магнитопроводе из-за гистерезиса и вихревых токов и обмотках.

		Структура обозначения типоразмеров двигателей серии 4А
						основного исполнения
4А	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х
1	2	3	4	5	6	7	8

1обозначение серии (4 – порядковый номер серии; А – асинхронные);

2исполнение двигателя по степени защиты;

3материал станины и подшипниковых щитов: А – станина и щиты алюминиевые; Х – станина алюминиевая, а щиты – чугунные или наоборот; отсутствие буквы – станина и щиты чугунные или стальные;

4высота оси вращения (две или три цифры);

5условная длина станины (S, M, L);

6условная длина сердечника статора (если при данной высоте оси вращения имеются два типоразмера, то они обозначаются буквами А или В, если один типоразмер, то буква отсутствует);

7число полюсов: 2, 4, 6, 10, 12;

8климатическое исполнение и категория размещения (У3 – для умеренного климата в закрытом помещении с естественной вентиляцией).

Двигатели серии 4А рассчитаны для работы от трехфазной сети частоты 50 Гц, напряжением 220, 380, 660 В (три вывода обмотки статора) или 220/380, 380/660 В (шесть выводов обмотки статора). Начала и концы обмоток статора выведены на клеммную панель. Эти обмотки принято называть фазами: фаза А, фаза В, фаза С. Начала фаз обозначают C1, С2, С3, а соответствующие им концы

С4, С5, С6. При включении статора асинхронного двигателя используют традиционные для трехфазных цепей соединения: звезда и треугольник (рис. 6.9).

А		В С		А		В С
С	С	С	3	С	С	С	3
1	2		3	1	2		3
С	С5	С6		С	С5	С6
4				4
	а)				б)

Рис. 6.9. Соединения обмотки статора на клеммном щитке асинхронного двигателя:

азвездой, б треугольником

Впаспорте электродвигателя указывают обычно два напряжения, например 127/220 или 220/380 В. Если напряжение в сети совпадает с большим из напряжений, приведенных в паспорте электродвигателя, то обмотки соединяют по схеме «звезда». Если напряжение в сети совпадает с меньшим из указанных

впаспорте, то обращаются к схеме «треугольник». Например, если в паспорте двигателя указано напряжение 380/660 В, то при напряжении сети 660 В обмотку статора следует соединить звездой, а при напряжении 380 В – треугольником. В обоих случаях фазное напряжение на статоре двигателя останется равным 380 В.

Если вместо схемы «треугольник» обмотки соединить по схеме «звезда», то электродвигатель может отдать только третью часть номинальной мощности. Если же двигатель при данном напряжении сети должен быть включен по схеме «звезда», то включать его в сеть по схеме «треугольник» нельзя — из-за перегрева обмоток произойдет порча изоляции и двигатель может выйти из строя.

6.2.Пример решения задачи № 5

Всоответствии с исходными данными (табл. 6.1) (см. прил. 2) выполнить расчет параметров трехфазного асинхронного двигателя заданной марки с короткозамкнутым ротором, а именно:

1) определить потребляемую двигателем мощность; 2) рассчитать номинальный, максимальный и пусковой моменты двигате-

ля, номинальный и пусковой токи, номинальное и критическое скольжение;

3)рассчитать номинальные потери в двигателе;

4)построить зависимость вращающего момента от скольжения M=f(s) и механическую характеристику двигателя n2=f(M);

5)определить, как изменится пусковой момент двигателя при снижении напряжения на его зажимах на 10% и возможен ли пуск двигателя при этих условиях с номинальной нагрузкой.