Асинхронный двигатель
Преимущества перед
другими двигателями:
-
просты по конструкции
-
надёжны в работе
-
высокий кпд при
номинальной нагрузке -
дешевизна двигателей
-
выдерживают
значительные перегрузки -
не требуют сложных
пусковых устройств
Недостатки:
-
низкий коэффициент
мощности при номинальной нагрузке (на
холостом ходу
) -
низкий кпд при
малых нагрузках -
малоудовлетворительные
регулировочные характеристики
)
Название «асинхронный»
обусловлено тем, что ротор машины
вращается асинхронно по отношению к
магнитному полю машины. Асинхронные
машины малой мощности выполняются
однофазными, что позволяет их использовать
в устройствах, питающихся от двухпроводной
сети (бытовая техника).
Понятие частоты
в теории электрических машин используется
в двух различных смыслах:
частота
параметров, Гц;
частота
вращения магнитного поля машины и вала
ротора, об/мин.
Конструкция
асинхронной машины представлена двумя
сердечниками: неподвижным – статор и
вращающимся – ротор; тремя неподвижными
обмотками, размещёнными на статоре, и
четвёртой, размещённой на роторе.
Статор – это полый
цилиндр, набранный из листов
электротехнической стали, покрытых
изоляционным материалом. По внутренней
поверхности статора пазы, в которых
размещается трехфазная обмотка,
подключаемая к сети трехфазного тока.
Ротор – цилиндр,
набранный из листов электротехнической
стали. Сердечник ротора насажен на вал,
закреплённый в подшипниках. С внешней
стороны сердечника ротора пазы, в которых
укладывается обмотка ротора. Обмотка
может быть аналогичной статорной, т.е.
трехфазной. В этом случае концы обмотки
должны быть соединены звездой или
треугольником (как правило – звездой).
3 других вывода – свободные, их концы
выведены на контактные кольца, укреплённые
на валу машины. АД с таким исполнением
называется фазным или с контактными
кольцами. Другое исполнение обмотки
ротора – «беличья клетка». Выполняется
такая обмотка в виде цилиндрической
клетки из медных или алюминиевых
стержней, которые вставляются в пазы
сердечника ротора. Концы стержней
замыкаются накоротко. Такая обмотка
ротора может быть изготовлена путём
заливки пазов ротора расплавленным
алюминием. АД с таким исполнением обмотки
ротора называется короткозамкнутым.
Принцип действия
АД:
е1
е2
§1. Вращающееся магнитное поле (вмп)
Принцип действия
АД основан на использовании ВМП. Для
его получения необходимы 2 условия:
-
неподвижная
система проводов, расположенных в
пространстве по окружности; -
токи, протекающие
по проводам, должны быть сдвинуты по
фазе относительно друг друга.
Рассмотрим получение
ВМП на примере трехфазной обмотки
статора двигателя. Фазы: А,В,С. Допущения:
примем, что в каждой фазе обмотки имеется
1 катушка, состоящая из одного витка.
Стороны этих витков занимают 2 диагонально
расположенных паза, а плоскости витков
сдвинуты относительно друг друга на
1200.
Пусть обмотка
статора подключена к сети с симметричной
системой фазных напряжений. Если принять
обмотку А-х за начальную, то мгновенные
значения токов будут изменяться по
законам:
iA(t)
= Imsinωt;
iB(t)
= Imsin(ωt
– 1200);
iC(t)
= Imsin(ωt
+ 1200).
Графики этих токов:
И
з
графиков токов видно, что в момент
времениt1
ток в фазе А положителен и максимален,
а в фазах В и С отрицательный и равен
половине амплитудного. Будем считать,
что положительный ток входит в начало
фазы обмотки (крестик), а выходит из её
конца (точка).
Пользуясь правилом
буравчика можно найти картину распределения
магнитных линий поля для момента времени
t1.
При этом магнитное поле двигателя
создаётся в результате наложения
магнитных полей отдельных фаз и это
означает, что магнитная индукция
основного поля:
и
.
-
Если каждая фаза
обмотки состоит из 1 катушки (К=1), то в
обмотке статора возникает магнитное
поле с двумя полюсами: N
и S.
Если обозначить через Р число пар
полюсов магнитного поля, то для
двухполюсного число пар полюсов
равняется единице Р = 1. Число пар полюсов
определяется числом катушек в фазе: Р
= К. -
За 1 период Т тока
статора двухполюсное поле делает 1
оборот, т.е. поворачивается на угол 2π
радиан. Тогда частота вращения этого
поля:
,
(об/сек),
где
частота токов в статоре (50Гц).
Частоту вращения
поля обычно определяют в оборотах в
минуту:
,
(об/мин). Тогда
,
(рад/сек),
т.е. угловая частота
поля равна угловой частоте токов статора.
-
Направление
вращения магнитного поля, т.е. вектора
результирующей магнитной индукции,
определяется очерёдностью наступления
максимумов токов в фазах обмотки
статора. -
Для изменения
направления вращения поля необходимо
изменить порядок чередования максимумов
токов в фазах. Для этого достаточно
изменить порядок подключения к сети
2-х проводов, подсоединённых к обмотке
статора. -
Вектор результирующей
магнитной индукции всегда перпендикулярен
плоскости той фазы, ток в которой в
данный момент времени максимален.
Если число катушек
в каждой фазе увеличить, то частота
вращения магнитного поля уменьшится.
Если в каждой фазе соединить последовательно
по 2 катушки, т.е. К = 2, то число пар полюсов
будет равняться 2 (Р = 2). Число пар полюсов
поля равно числу катушек в каждой фазе,
т.е. имеет место равенство: Р=К.
Тогда общая формула
для определения частоты вращения
магнитного поля статора будет иметь
вид:
,
(об/мин);
,
(рад/сек).
Стандартный ряд
частот:
|
р |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
n1, |
3000 |
1500 |
1000 |
750 |
600 |
500 |
Частота n1
называется синхронной частотой вращения
АД.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Как определить частоту вращения магнитного поля статора, если известна частота вращения ротора?
Знаток
(447),
на голосовании
2 года назад
Голосование за лучший ответ
А.УМАРОВ
Оракул
(70017)
2 года назад
Частота вращения магнитного поля и частота вращения ротора отличаются на величину скольжения ротора относительно поля n2=60f(1-s)/p,где f-частота сети (50Гц), s-скольжение (примерно 0.02-0.04), p-число пар полюсов. В вашем случае частота поля равна 1500 об/мин, скольжение равно (1500-1440)/1500=0.04 или 4%
Принцип получения вращающегося магнитного поля.
В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.
Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.
Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи.
Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.
Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид
Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.
Рис. 3.5 Рис. 3.6
Как видно из рис. 3.6, в момент времени to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С – отрицательный.
Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрез расположена горизонтально.
Рис. 3.7
На рис. 3.7, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол 
= 60°. В этот момент времени токи в фазах А и В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С – отрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол 
= 60°. Если угловая частота тока 
, то 
. (Здесь 
, где 
– частота тока в сети). В моменты времени t2 и t3 ось магнитного поля соответственно повернется на углы 
и 
(рис. 3.6, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 3.7, д) ( 
(
)). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой n1=60f1=60∙50=3000 об / мин (f1=50 Гц – промышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой
где Вт – максимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; 
– угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.
Направление вращения поля.
В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).
Формула частоты вращения поля.
Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.
Рис. 3.8 Рис. 3.9 Рис. 3.10
Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n1 = 60f1 / p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n1 = 1000 об/мин.
Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет
n1 = 60 f1 / p (3.1)
Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р = 1, 2 и 3 при f1= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.
Параллельное соединение катушек.
Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и в развернутом виде на рис. 3.11,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n1 = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в в сети 50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения
п1 = 60 f1 / p = 60 ∙50 / p .
Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
|
3000 |
1500 |
1000 |
750 |
600 |
500 |
375 |
300 |
Во всех режимах работы асинхронный машин всегда присутствует вращающееся магнитное поле статора. Оно создаётся тремя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, скорость этого вращения равна:
где:
n1 – Скорость вращения магнитного поля статора;
f – Частота питающей сети (50Гц);
p – Количество пар полюсов (max 12 min 2);
Из формулы понятно, что скорость вращения магнитного поля статора асинхронной машины зависит от: частоты питающей сети, на территории стран СНГ она постоянна и равняется 50Гц, от количества пар полюсов в статоре асинхронной машины. Скорость вращения ротора синхронной машины напрямую зависит от скорости вращения магнитного поля статора.
Так же известно, что в их конструкции присутствует ротор, вращающаяся часть, которая может вращаться с различными скоростями. В целом можно сказать, что в асинхронных машинах скорость вращения изменяется только у ротора. Многочисленные наблюдения показали, что в зависимости от частоты вращения ротора асинхронной машины, с ней происходят различные явления. Для упрощения понимания этого вопроса, был введен параметр скольжение S – разность скоростей вращения магнитного поля статора, от скорости вращения ротора:
Эти скорости обозначают буквенно: n – скорость вращения ротора; n1 – скорость вращения магнитного поля.
Режим работы асинхронной машины зависит именно от этого значения разности скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора.
Различают следующие режимы работы асинхронных машин:
- Режим двигателя;
- Режим генератора;
- Режим электромагнитного тормоза;
- Режим динамического торможения;
Режим двигателя
Асинхронные двигатели стали очень популярна и наиболее часто применяемая в электроприводах. Режим электродвигателя применяется для приведения во вращение различные устройства, механизмы, насосы, лебедки, редуктора и т.д. путем преобразования электрической энергии в механическую. Как уже многим известно, что её принцип действия объясняется взаимодействием двух магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле статора создается системой трехфазных обмоток и магнитопровода, расположенных непосредственно на статоре (корпусе асинхронной машины). Это поля является вращающимся, так как в трех фазной цепи, ток протекает из фазы А в фазу В, из фазы В в фазу С, а из фазы С обратно в фазу А. Обмотки каждой фазы располагают на статоре так, что бы равномерно заполнить всю окружность, т.е. окружность занимает 360 градусов, имея три обмотки, делим 360/3 получаем 120 градусов на каждую обмотку.
Это вращающееся магнитное поле пронизывая ротор, индуцирует в нем ЭДС, так как ротор короткозамкнутый, то по нему протекает ток. Протекание тока вызывает образование у ротора собственного магнитного поля. Поле статора, которое вращается с скоростью n1 взаимодействует с полем ротора, которое является неподвижным, и старается остановить, затормозить поле статора. Так как ротор закреплен на подшипниках, он способен свободно вращаться вокруг своей оси. Получается, что магнитное поля статора притягивает поле ротора, увлекает его за собой с определенной силой, в результате чего и сам ротор начинает вращаться.
Особенностью этого режима является то, что скорость вращения магнитного поля статора и скорость вращения ротора не должны быть равными, тем более, скорость ротора всегда меньше. Если же каким-либо образом их скорости будут равными, то исходя из явления электромагнитной индукции, обязательна разность магнитного потока, пересекающего тот или иной контур, что и обеспечивается отставанием ротора от магнитного поля статора. Если же все-таки их скорости сравняются, по короткозамкнутой обмотке ротора перестанет протекать электрический ток, исчернит его магнитное поле и ротор не будит увлекаться полем статора. Скольжение в режиме электродвигателя должно быть положительным числом и не равным нулю.
Стоит добавить, что режим двигателя у асинхронных машин является самым часто используемым.
Режим генератора
Режим генератора у асинхронных машин является полной противоположностью режиму двигателя. Самым главным отличием является то, что при режиме двигателя, асинхронная машина потребляет из сети электрическую энергию. А в режиме генератора наоборот отдает в сеть выработанную электрическую энергию.
Режим генератора возможен только тогда, когда скорость вращения ротора n будет выше скорости вращающегося магнитного поля статора. В этом случаи скольжение S будит отрицательным. Для этого необходимо ускорить ротор синхронной машины, то есть посадить на вал ротора, какой-либо механизм (турбина, редуктор, другой двигатель).
Допустим ротор мы разогнали до 3500 оборотов в минуту, а скорость магнитного поля статора 3000 оборотов в минуту, определим скольжение:
Режим генератора у асинхронных машин не является часто используемым, и может применяться в узких специализированных областях, в маломощных электростанциях.
Стоит отметить, что при таком режиме работы, отдаваемая в сеть электроэнергия совпадает по частоте с частотой самой сети. Так как она зависит только от частоты вращения магнитного поля статора, которая как мы знаем не изменяется.
В использовании таких генераторов есть огромный плюс, в его устройстве отсутствуют скользящие контакты, вращающиеся обмотки, это обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию. Так же эти генераторы мало восприимчивы к коротким замыканиям в сети. Еще не маловажным условием работы является, наличие остаточной намагниченности ротора, которое усиливается конденсаторными установками, включенными в цепи статорных обмоток.
Режим электромагнитного торможения
Режим электромагнитного торможения является еще более специфичными специализированным. Вся суть этого режима в том, что если вращение ротора асинхронной машины не совпадает с направлением вращения магнитного поля статора, то ротор будит затормаживаться под действием этого магнитного поля статора. Такой режим возможен только при реверсивном подключении асинхронной машины, так как путем переключения двух фаз достигается изменение направления вращения магнитного поля статора, и используется в различных грузоподъемных и транспортировочных устройствах. Этот режим часто называют режимом торможения противотоком или противовключением. При таком режиме, если нам необходимо остановить двигатель, при полной остановке, статор необходимо отключить от сети, так как вал начнет вращаться в обратном направлении.
Режим динамического торможения
В таком режиме, асинхронная машина отключается от трех фазной сети, и на обмотки статора подается постоянный ток. Таким образом на статоре образуется постоянное магнитное поле (постоянный магнит), которое тормозит ротор двигателя.
Все выше представленные режимы работы асинхронных машин, кроме режима двигателя, являются специализированными, и используются только в определенных установках, устройствах, станках и т.д.
Очевидно, что правильная эксплуатация любой электрической машины предполагает соответствие такого важного ее технического параметра как частота вращения условиям эксплуатации.
Все основные параметры асинхронного электродвигателя изготовителем указываются на металлической бирке – шильдике, прикрепленной к его корпусу. И конечно, в приведенных технических данных обязательно присутствует информация о частоте вращения при номинальной нагрузке.
Однако, на практике, совсем нередки случаи, когда необходимо определить частоту вращения двигателя с отсутствующим шильдиком или с нечитаемыми – стершимися надписями на нем.
Конечно, в таких случаях опытный мастер-электроприводчик, наверняка сможет определить частоту вращения, но у начинающих специалистов-электриков, занимающихся обслуживанием электрического оборудования при решении этого вопроса могут возникнуть некоторые затруднения.
Проще всего определить скорость вращения вала работающего “асинхронника” тахометром. Но, учитывая, что ввиду узкой специфики использования, наличие этого измерительного прибора – большая редкость, данный метод здесь не рассматривается.
Надеемся, предложенный ниже способ окажется полезным. Он применим для асинхронных электродвигателей небольшой и средней мощности, имеющих однослойные статорные обмотки.
Итак, в нашем случае определение частоты вращения электродвигателя предполагает осмотр его статорной обмотки. Поэтому, с двигателя потребуется снять крышку (пошипниковый щит). Если на его валу закреплены шкив или полумуфта для передачи движения, то рекомендуем снять задний щит.
Сняв крышку и крыльчатку вентилятора с вала, следует, открутив винты, снять задний подшипниковый щит, после чего осмотреть торцевую часть статорной обмотки. Далее, надо посчитать количество пазов, занимаемых секциями одной катушки.
Общее количество пазов сердечника, разделенное на количество пазов, занимаемых секциями одной катушки (частное) составит число полюсов. Зная его значение, определяем частоту вращения асинхронного электродвигателя:
2 – 3000 об/мин;
4 – 1500 об/мин;
6 – 1000 об/мин.
Здесь стоит учесть одну особенность асинхронных двигателей – несоответствие скорости вращения магнитного поля и вращения ротора, поэтому скорость может составлять 940 обмин вместо 1000 или 2940 об/мин вместо 3000.
Как видно, особой сложностью этот способ определения частоты вращения по обмотке не отличается, однако, может быть упрощен; потребуется визуально определить какая часть окружности сердечника статора, занимается секциями одной катушки:
Занятая секциями одной катушки ½ часть сердечника статора двигателя свидетельствует о его частоте вращения 3000 обмин, ⅓ – 1500 об/мин, ¼ – 1000 об/мин.
