Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Теория машин и механизмов Математический анализ Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Электротехника и электроника Закон Ома Второй закон Кирхгоф Расчет смешанной цепи с одной э.д.с. Векторная диаграмма Соединение фаз звездой Соединение фаз треугольником Асинхронный электродвигатель Полупроводниковые диоды

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

1. Асинхронный электродвигатель является основным видом электродвигателей, выпускаемых электротехнической промышленностью. Своей простотой, надежностью, относительной дешевизной он завоевал преимущественное распространение по сравнению с другими видами электроприводов и находит применение во всех отраслях народного хозяйства.

2. Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Роторы бывают видов короткозамкнутые с фазной обмоткой. Так как приблизительно 95% двигателей выпускаются короткозамкнутыми, то рассмотрим их подробнее. Коротко замкнутый ротор представляет собой цилиндр, набранный листов электротехнической стали. На наружной поверхности ротора выштампованы пазы, которые заливаются расплавленным алюминием, в результате чего образуются продольные проводящие стержни. С обеих сторон (торцов) располагаются алюминиевые кольца, замыкают эти

Статор асинхронного двигателя также представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На внутренней поверхности цилиндра выштампованы пазы, в которых размещаются обмотки изолированного медного провода. Оси обмоток смещены пространстве на угол 120° друг относительно друга. Начала маркируются буквами С1, С2, С3, концы обозначены С4, С5., С6, (рисунок 5.1а).

Теплоотдача в жидкостях и газах Теплоотдача при вынужденном течении в каналах. Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной . Если , то течение ламинарное. Для труб . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях ; значение  соответствует переходному режиму.

3. При подключении обмоток статора к трехфазной электрической сети в ней возникают  токи, действующие значения которых равны, а начальные фазы сдвинуты друг относительно друга на угол 120°, так как обмотки представляют для симметричную трехфазную нагрузку.

Можно строго доказать, что если три обмотки, оси которых сдвинуты друг относительно друга в пространстве, запитать системой токов, сдвинутых .друг по фазе, то образующееся при этом магнитное поле будет вращающимся. Рассмотрим упрощенно процесс образования вращающегося поля, Пусть обмотки на рисунке 5.1а запитаны изображенной 5.16, причем ток i2 протекает обмотке С3 – С6, i3- - С6. За положительное направление токов примем от конца к началу обмоток. Изобразим условно проводники обмоток, лежащие пазах статора, так, как это сделано 5.1а, б, в, расставим направления разные моменты времени и определим магнитного поля.

Рис. 5.1 Статор асинхронного двигателя и токи, питающие его обмотки

Направление векторов магнитной индукции определяется правилом правоходового винта: при движении винта в направлении тока магнитная силовая линия, охватывающая этот ток, направлена сторону вращения головки винта.

Рис. 5.2 Образование вращающегося магнитного поля

В момент времени >wТ = 90o ток i положителен, а токи i2, i3 отрицательны (рисунок 5.16). Для этого момента времени расставляем на рисунке 5.1а направления токов в проводниках: положительно направленный ток течет от конца С4 к началу С1 (направление «от нас» обозначено крестиком, направление «к нам» - точкой); отрицательно направленные токи текут от начала фазы к концу, т.е. в концах фаз C5 и С6 ток течет «к нам», а в началах С2 и С3 - соответственно «от нас». Образованные этими токами магнитные поля показаны в виде магнитных силовых линий. Суммарный вектор магнитной индукции В направлен вертикально вверх.

Для момента времени >wt = 210° устанавливаем по рисунку 5.1б, что i2 > 0, i1 < 0 , i3 < 0. Это дает возможность расставить направления токов в обмотках так, как указано на рисунке 5.16. Построив магнитные силовые линии, можно увидеть, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 120°.

Для момента времени >wt = 330°, устанавливаем по рисунку 5.16, что i1 < 0, i2 < 0, , i3 > 0. Построение картины магнитного поля (рисунок 5.2в) дает возможность установить, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 240°.

Продолжая аналогичные рассуждения, можно установить, что за время, равное одному периоду изменения тока, вектор магнитной индукции повернется в пространстве на 360°, т.е. полученное магнитное поле будет вращающимся. Можно показать, скорость вращения магнитного поля определяется выражением:

 

где f- частота тона трехфазной сети, Гц,

Р - число пар полюсов двигателя.

Метод получения вращающегося магнитного поля был впервые разработан замечательным русским инженером М.О. Доливо-Добровольским.

4. Поместим внутрь расточки статора ротор. Вращающиеся магнитные силовые линии пересекают стержни роторной обмотки. По закону электромагнитной индукции в стержнях возникнут э.д.с., а так как с торцов замкнуты кольцами, то под влиянием э.д.с. них потекут токи. Известно, что на ток магнитном поле действует механическая сила. Можно сказать, эта сила направлена сторону вращения поля. Под сил, действующих током, ротор начинает вращаться.

По мере увеличения числа оборотов ротора п уменьшается скорость пересечения магнитными силовыми линиями стержней роторной обмотки. При этом уменьшаются роторные э.д.с. и токи. пересечение прекратится, ток станет равным нулю, исчезнет вращающий момент.

Под влиянием сил трения ротор начнет уменьшать обороты, снова появится пересечение магнитными силовыми линиями стержней ротора и т.д. Ясно, что вращение возможно лишь со скоростью, несколько меньшей, чем скорость вращения магнитного поля, т.е. всегда соблюдается условие п < п0. Величина, характеризующая отставание частоты от поля статора п0, называется скольжением

 

5. В процессе работы асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию, полученную из сети, в механическую отдаваемую нагрузке. Как и любой реальной машине, это преобразование не обходится без потерь. При протекании токов по обмоткам статора ротора последних возникают потери, называемые медными потерями. прохождении магнитного потока железу магнитопровода стальные потери. Наконец, при вращении механические вызванные трением подшипниках, о воздух, потерями на вентиляцию. Суммарные потери обозначаются >SP. К.П.Д. двигателя определяется по формуле:

 

Коэффициент мощности определяют по формуле:

 

Зависимость К.П.Д. и cos >j от полезной мощности называется рабочими характеристиками асинхронного двигателя. Расчет и опыт показывают, что К.П.Д. и cos j возрастают с увеличением полезной нагрузки на валу двигателя, достигают максимума при нагрузках, близких к номинальным, а при дальнейшем увеличении нагрузки снижаются. Отсюда вывод -асинхронный двигатель невыгодно эксплуатировать при малых нагрузках, ибо его энергетические показатели (К.П.Д. cos j) малы.

6. Зависимость вращающего момента на валу двигателя М от скольжения S называется механической характеристикой. Анализ показывает, что в процессе пуска при увеличении числа оборотов (т.е. уменьшении I пуске до некоторой критической величины SK) вращающий момент увеличивается, а дальнейшем вплоть п0 SK 0) снижается нуля. Типичная для асинхронного механическая характеристика показана рисунке 5.3.

Рис. 5.3 Механическая характеристика асинхронного двигателя

На кривой вращающего момента можно выделить характерные точки. В момент пуска при п = 0 и S = 1 двигатель развивает пусковой Мn. Пусковой всегда должен быть больше сопротивления на валу двигателя, иначе не сможет тронуться с места. Величина отношения пускового к номинальному вращающему моменту Мn/Мн называется кратностью момента. Она, как правило, обозначается фирменной табличке двигателя в каталогах. Для двигателей общепромышленного исполнения кратность равна 1,2 >¸ 1,6.

Вращающий момент, развиваемый двигателем при критическом скольжении, обозначается Мкр и называется критическим или максимальным моментом. Из рисунка 5.3 видно, что это самый большой в процессе разгона. До тех пор, пока момент сопротивления на валу двигателя, создаваемый приводным механизмом, не превосходит максимального момента, еще возможна нормальная работа хотя бы кратковременно. Если же тормозной станет больше максимального, то двигатель вынужден сбросить обороты до нуля» Это аварийный режим, получивший название «опрокидывания» двигателя.

Отношение величины максимального момента Мкр к номинальному Мн называется кратностью

 

и для большинства двигателей общепромышленного исполнения составляет 2,5 >¸ 3. Величина Мкр/ Мн как правило, приводится на фирменной табличке двигателя и в каталогах. Кратность максимального момента называют еще перегрузочной способностью двигателя.

Диапазон (0 >¸ Sкp) соответствует рабочем участку механической характеристики. На этом участке увеличение нагрузки на валу приводит к снижению числа оборотов и, следовательно, к увеличению вращающего момента, т.е. равновесие тормозного и вращающего моментов восстанавливается. На рабочем участке возможна устойчивая работа двигателя и здесь же выбирается точка номинального момента, т.е. такого вращающего момента, который двигатель способен развивать длительное время, не перегреваясь.

Диапазон (Sкр >¸ 1) соответствует неустойчивому участку работы асинхронного двигателя. В этом случае при увеличении нагрузки вращающий момент уменьшается, что приводит к «опрокидыванию» двигателя.

Пример. Рассчитать по приближенным формулам и построить механические характеристики M(s) п = (М) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, номинальной мощностью Рном = 3,2 кВт номинальным числом оборотов пном = 1440 об/мин. Кратность пускового момента Мпуск/Мном /Мном/Мном= 1,1, число пар полюсов р = 2, частота питающего напряжения f1 = 50 Гц. Механическими потерями мощности Рмех при расчете пренебречь.

Решение. Синхронная круговая частота вращения магнитного поля двигателя: >W1 = 2pf1/p = 2 × 3,14 × 50/2 = 157 с-1.

Синхронная частота  вращения ротора n1 = 60f1/p = 60 >× 50/2 = 1500 об/ мин.

Номинальное скольжение ротора:

 

 

где >Wном = p nном/30 = 3,14 × 1440/30 = 150,72 c-1

Номинальный момент нагрузки на валу двигателя: Мном = 9550 >× Рном/пном = 9550 × 3,2/1440 = 2 1 ,2 H × м.

Пусковой момент двигателя: Мпуск =1,1 Мном =1,1 >× 21,2 = 23,4 Н × м.

Максимальное скольжение ротора асинхронного двигателя может быть определено из упрощенного уравнения механической характеристики при пуске:

 

Момент на валу при номинальной нагрузке:

 

откуда > 

Максимальный момент, развиваемый асинхронным двигателем:

Mmax = Mпуск/2 = (1/sкр + sкр) = 23,4/2 0,21) = 58 Н >× м.

Кратность максимального момента асинхронного двигателя по отношению к номинальному его значению; Мmax/Мном /Мном/Мном= 58/21,2 /21,2/21,2= 2.72.

Координаты естественной механической характеристики асинхронного двигателя для различных значений скольжения ротора рассчитывается по формулам:

 и n = n1 (1 – s). 

Результаты расчетов сведены в табл. 1.

Таблица 1

Величины, соответствующие работе асинхронного электродвигателя в режимах

Режимы работы двигателя

s

M, H >× м

W2, c-1

n2, об/мин

0

-

0

157

1500

Идеальный холостой ход

0,21

2,00

58,86

125,6

1200

Нагрузка

0,4

2,43

48,36

94,2

900

Нагрузка

0,6

3,20

36,78

62.8

600

Нагрузка

0,8

4,07

28,94

31,4

300

Нагрузка

1

4,97

23,54

0

0

Нагрузка

Координаты характерных точек механических характеристик асинхронного двигателя в двигательном режиме: sном = 0,04; Мном = 21,2 Н >× м; sкp = 0,21; Мmах = 58 Н × м; snyск = 1; Мпуск = 23,4 Н × м.

На рис 5.4, а, б приведены механические характеристики асинхронного двигателя s(M) и п(М), рассчитанные по приближенным формулам.

Рис. 5.4 а, б

Для нахождения номинального тока при известных Р2н, Un двигателя

 

при снижении напряжения в сети на 10% пусковой момент

 

и максимальный момент

 

критическое скольжение sкр можно определить по формуле

 

 При расчетах электрических цепей положительные направления токов в элементах цепи в общем случае заранее неизвестны. Поэтому одно из двух воз­можных направлений принимается за положительное и указывается на схеме стрелкой. Это направление выбирают произвольно. Условное положительное направление напряжения на схеме электрической цепи также выбирается произ­вольно и указывается стрелкой. Между зажимами потребителей электрической энергии положительные направления тока и напряжения, как правило, выбира­ются одинаковыми.
Активная мощность трехфазной системы