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 вида- с короткозамкнутым и
ротором. Обмотка фазн ротора выполняется по аналогии с обмоткой статора
соединённой звездой и 3 свободных конца припаеваются к 3м 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:
1 поле
эквивалентно полю вращающегося двухполюсного магнита с полюсами N
и S, поэтому
внутреннюю поверхность статора можно рассматривать состоящей из двух полюсных
делений t (рис. 3 а);
1) 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 2t. За 1 с поле сделает f1
оборотов, т.е. частота вращения поля 
об/мин;
2) вращение поля происходит в направлении чередования токов в
обмотках
(,
затем и
),
т.е. от катушки А к катушке В и С;
1 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,
p- кол-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.
; где 
-сдвиг
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. X
-режим идеального холостого хода (М=0; 
).
М -соответствует номинальному режиму 
.
К -критическая точка
. П -пусковая
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 (РЭЛ в генераторах и РМЕХ
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 IКР
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 (Iп=(4-8)Iном).
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.
. 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 способа
-резистивное(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 Uм/Uб;
(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
.
Литература:
1.
Теоретические
основы электротехники. В 3т. Т.2 / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин,
В.Л. Чечурин. СПб., 2006.
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.