Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Однако преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода.
Устройство асинхронной машины • Асинхронная машина состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками. • По своей конструкции асинхронные машины разделяются на два вида: с короткозамкнутым ротором ( «беличье колесо» )и с фазным ротором. Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором имеют наиболее широкое применение.
Общий вид трехфазной асинхронная машина с короткозамкнутым ротором 1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы
Устройство статора бесколлекторной машины Статор бесколлекторной машины переменного тока состоит из корпуса 1, сердечника 2 и трехфазные обмотки 3. Сердечник статора имеет шихтованную конструкцию. Пластины предварительно покрывают с двух сторон тонкой изоляционной пленкой, например слоем лака. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются проводники обмотки статора. Обмотка статора выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения.
Расположение катушек в пазах сердечника статора Простейшим элементом статорной обмотки является виток , состоящий из двух или нескольких параллельных проводников 1 и 2, которые размещены в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии у. Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Иногда их называют секциями. Их укладывают таким образом, чтобы в каждом пазу были размещены одна сторона катушки или две стороны разных катушек — одна над другой. В соответствии с этим различают одно (а) и двухслойные обмотки (б).
Стороны обмотки, расположенные в пазах называются пазовые стороны 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2. . Каждая катушка здесь представляет собой фазную обмотку, каждая фаза которой сдвинута относительно друга на 120 º
• В соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток статора обозначают следующим образом: • Первая фаза: начало С 1 — конец С 4 • Вторая фаза: начало С 2 — конец С 5 • Третья фаза: начало СЗ — конец С 6 • (расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении • обмотки статора соединяются звездой или треугольником (б) )
. Виды роторов АМ Короткозамкнутый ротор В короткозамкнутых роторах пазы заливаются алюминием; при этом образуются стержни беличьей клетки. Одновременно отливаются короткозамыкающие торцовые кольца. Для такой обмотки принимают количество фаз m равным количеству стержней.
Фазный ротор В пазы ротора укладывают з-х фазную всыпную обмотку из круглого провода. Обмотка фазного ротора аналогична обмотке статора. Для получения синусоидального распределения магнитного поля, созданного обмоткой принимаются аналогичные технические меры: укорачивают шаг обмотки, делают распределение обмотки и скос пазов. Три конца от фазных обмоток присоединяются к контактным кольцам, установленным на вал машины.
Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором
Принцип работы электрических машин Если перемещать со скоростью V проводник длиной в магнитном поле с индукцией В , то индуцированная в проводнике ЭДС (по закону электромагнитной индукции) будет равна Е =B·V· Если в проводнике длиной протекает ток I и он находится в магнитном поле с индукцией В, то возникает электромагнитная сила Fэм (по закону электромагнитного взаимодействия ) равная Fэм =B· ·l На этих положениях основывается работа генератора и двигателя электрических машин
Принцип работы асинхронного двигателя При появлении в трехфазной обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле (основное свойство тока возбуждать вокруг себя магнитное поле) с частотой вращения n 1 где f частота сети, гц; р –число пар полюсов магнитного вращающегося поля. Это магнитное поле, сцепляясь с короткозамкнутой (или фазной) обмоткой ротора, (по закону электромагнитной индукции) наводит в ней ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи, которые при взаимодействии с вращающимся магнитным полем статора создают электромагнитные силы Fэм (по закону эдектромагнитного взаимодействия), направление которых определяется по правилу «левой руки» и стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора с частотой вращения n 2. Вращающееся магнитное поле статора (полюсы N 1 и S 1) сцепляется как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора и наводит в ней ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n 2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n 1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя n 2 <n 1.
Скольжение в асинхронных машинах Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора: s = (n 1 – n 2)/ n 1 Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. В последнем случае величину, полученную по данной формуле следует умножить на 100. Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора n 2 уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне 0 < s ≤ 1.
В зависимости от параметра s различают следующие режимы работы АМ:
Уравнения ЭДС асинхронного двигателя • В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы: МДС статора и МДС ротора. • Совместным действием эти МДС наводят в магнитной системе двигателя результирующий (основной) магнитный поток Ф, вращающийся относительно статора с синхронной частотой вращения n 1. • Рассмотрим, какие ЭДС наводит этот поток в обмотках двигателя.
1. ЭДС в каждой неподвижной фазной обмотке статора : E 1 = 4, 44 f 1 Ф ω1 kоб 1. где f 1 - частота ЭДС (тока) статорной обмотки; ω1 – число витков одной фазы обмотки; kоб 1 – обмоточный коэффициент статорной обмотки; 2. ЭДС обмотки ротора: § неподвижного ротора (n 2= 0, s=1) Е 2 = 4, 44 f 1 Ф ω2 коб 2 (наибольшее значение ЭДС и большие токи). Поэтому в моменты когда (например, при пуске двигателя, при создании аварийной ситуации когда ротор может быть заторможен) приходится принимать меры для ограничения токов ротора. § вращающегося ротора Е 2 s = 4, 44 f 2 Ф ω2 коб 2 = 4, 44 f 1 Ф ω2 коб 2 s где f 2 - частота ЭДС (тока) в роторе, равная f 2 = f 1·s , Гц; ω2 — число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки ротора; ko 62 - обмоточный коэффициент обмотки ротора; Связь ЭДС неподвижного и вращающегося ротора: E 2 s = 4, 44 f 1 Ф ω2 kоб 2 s = E 2 s
Схема замещения АД • Схема замещения моделирует процессы происходящие в асинхронном двигателе. На рис. представлена Т образная схемы замещения АД. Магнитная связь обмоток статора и ротора в асинхронном двигателе с учетом магнитных потерь на схеме замещения заменена электрической связью цепей статора и приведенного ротора. • • R 1 , - моделируют активные потери в обмотках статора и приведенного ротора; X 1, - моделируют потери рассеяния в обмотках статора и приведенного ротора; R 0, X 0 - потери в магнитопроводе двигателя; - передаваемую в приведенный ротор мощность, которая • зависит от частоты его вращения.
Формулы приведения Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам, аналогичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора : При s = 1 приведенная ЭДС ротора E/2 = E 2 ke, где ke = E 1/E 2 =koб 1 ω1 /(koб 2/ ω2) - коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе. • Приведенный ток ротора I/2 = I 2/ ki, где ki = m 1 ω1 koб 1/ (m 2 ω2 koб 2) = m 1 ke/ m 2 - коэффициент трансформации тока асинхронной машины; koб 1 и koб 2 – обмоточные коэффициенты соответственно статорной и роторной обмоток, учитывающие неодновременность достижения максимума потокосцепления в каждой из обмоток ; m 1 и m 2 -число фаз соответственно статорной и роторной обмоток (для АД с фазным ротором m 1 = m 2 ).
• Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора: • R/2 = R 2 ke ki ; • Х/2 = Х 2 ke ki. • В отличие от трансформаторов в асинхронных двигателях коэффициенты трансформации напряжения kе и тока ki не равны ( kе ≠ ki ). Объясняется это тем, что число фаз в обмотках статора и ротора в общем случае не одинаково • ( m 1 ≠ m 2 ). Лишь в двигателях с фазным ротором, у которых m 1 = m 2, эти коэффициенты равны.
Потери и КПД асинхронного двигателя • Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р 2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Р 1 на величину потерь Δ Р : • Р 2 = Р 1 - ΔР • Потери Δ Р преобразуются в теплоту, что в конечном итоге ведет к нагреву машины.
Энергетическая диаграмма АД Рмех
• Р 1 -активная составляющая мощности, потребляемая двигателем. • РМ 1 - активная составляющая мощности потерь в обмотке статора. • PC - мощность потерь в сердечниках статора и ротора на гистерезис и перемагничивание. • PM 2 - активная составляющая мощности потерь в обмотке ротора • РМЕХ - механические потери, связанные с вращением ротора. Они включают в себя трение в подшипниках, трение ротора с воздухом, вентиляционные потери. • РЭМ - электромагнитная мощность которая передается от статора к ротору электромагнитным путем • P 2 - мощность на валу электродвигателя • Тогда полные потери мощности составят: • ΔР = РМ 1 + PM 2 + PC + РМЕХ
• Из диаграммы видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р 1 = m 1 U 1 I 1 cos φ1 затрачивается в статоре на магнитные Рс и электрические потери в меди обмоток статора Рм 1. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери в меди обмоток ротора Рм 2 и. Часть на покрытие механических Рмех, а оставшаяся часть этой мощности Р 2 составляет полезную мощность двигателя. • У асинхронного двигателя КПД • η = Р 2/ Р 1 =(Р 1 - ΔР)/ Р 1 =1 - ΔР/ Р 1 • • • КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 к. Вт ηном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 к. Вт ηном =90 ÷ 94%. Электрические потери в обмотках Рм 1 и Рм 2 являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора. Магнитные Рм и механические Рмех, практически не зависят от нагрузки и считаются постоянными.
• МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АД • Зависимость момента от скольжения M = f (s) при U 1 = const, f 1 = const и постоянных параметрах схемы замещения называется механической характеристикой асинхронной машины.
• На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим (0 < s ≤ 1), когда электромагнитный момент М является вращающим; генераторный режим ( ∞ < s < 0) и тормозной режим противовключением (1 < s < + ∞), когда электромагнитный момент М является тормозящим. • Упрощенные выражения критического скольжения • Sкр ≈ ± R/2 /(x 1 +x/2) • и максимального момента (Н м) • Mmax = ± (m 1 U 21 p)/[4πf 1 (х1+ x/2 )]
• Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой M = f (s), представленной на рис. • При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n 1, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n 2 = 0) и скольжение s = 1 (Мп – пусковой момент)
• Далее под действием пускового момента Мп начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой М = f (s). При критическом скольжении sкр момент достигает максимального значения Мmах. С дальнейшим нарастанием n частоты вращения 2 (уменьшением скольжения) момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения Мном , равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х. х. M 0 и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) М 2, т. е. • Мном = М 0 + M 2 и s = sном, • Из анализа механической характеристики следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя при s < sкр (участок АО), при • s ≥ sкр – неустойчивая. • Таким образом, предел устойчивой работы максимальное значение электромагнитного момента Мmах соответствующего критическому скольжению sкр.
Влияние напряжения на вид механической характеристики асинхронного двигателя С уменьшением напряжения сети частота вращения ротора снижается (скольжение увеличивается).
Влияние активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя с увеличением r 2' при неизменном нагрузочном моменте Мст скольжение увеличивается, т. е. частота вращения уменьшается (точки 1, 2, 3 и 4)
Рабочие характеристики асинхронного двигателя • Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n 2 , КПД η, полезного момента (момента на валу) М 2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I 1 от полезной мощности Р 2 при U 1 = const f 1 = const.
• Скоростная характеристика n 2 = f(P 2). • По мере увеличения нагрузки на валу возрастают электрические потери в роторе • Зависимость М 2 =f(P 2). • • Зависимость полезного момента на валу двигателя М 2 от полезной мощности Р 2 определяется выражением • M 2 = Р 2/ ω2 = 60 P 2/ (2πn 2) = 9, 55 Р 2/ n 2, Из этого выражения следует, что если n 2 = const, то график М 2 =f 2(Р 2) представляет собой прямую линию. • Зависимость cos φ1 = f (P 2). • В связи с тем что ток статора I 1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I 1 и коэффициент мощности возрастает. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x 2 s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.
Пуск асинхронных двигателей • Одним из недостатков асинхронных двигателей является низкий пусковой момент, если не принять соответствующие меры. • В качестве таких мер используют: • а) выбор материала обмотки ротора с высоким сопротивлением; • б) специальную конфигурацию паза обмотки ротора (делают глубокий паз); • в) двойную беличью клетку. • Для учета пускового момента при выборе двигателя в каталогах обычно приводят кратность пускового момента равную :
Регулирование частоты вращения АД • Частота вращения ротора асинхронного двигателя • n 2 =n 1(1 - s) = (f 160/ p)(l - s). • Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой либо из трех величин: • скольжения s, • частоты тока в обмотке статора f 1 • числа пар полюсов в обмотке статора р.
• 1. Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: • изменением подводимого к обмотке статора напряжения, • нарушением симметрии этого напряжения • изменением активного сопротивления обмотки ротора. • 2. Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре – с помощью источника питания двигателя переменным током с регулируемой частотой (электромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты ПЧ). • 3. Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора - либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.
Серия трехфазных асинхронных двигателей 4 А • • Мощности от 0, 06 до 400 к. Вт с высотами оси вращения h: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200, 225, 250, 280, 315 и 355 мм. Двигатели каждой высоты оси вращения выполняются двух типоразмеров с разной длиной пакетов сердечников, но одинаковым штампом их пластин. Двигатели изготовляются на синхронные частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 об/мин. Двигатели серии 4 А изготовляются в двух исполнениях: закрытое обдуваемое (а) и защищенное с внутренней самовентиляцией (рис. б). Двигатели закрытого исполнения всего диапазона осей вращения изготовляются с короткозамкнутым ротором, а осей вращения 200, 225 и 250 мм — еще и с фазным ротором (4 АК). Двигатели защищенного исполнения изготовляются с короткозамкнутым ротором (4 АН) при высоте оси вращения h > 160 мм, а при высоте оси вращения h > 200 мм еще и с фазным ротором (4 АНК). Асинхронные двигатели серии 4 А предназначены для самого широкого применения во всех отраслях хозяйства, а поэтому они помимо основного исполнения, имеют несколько модификаций и специализированных исполнений.
Модификации АД серии 4 А • • а) двигатели с повышенным скольжением, с «мягкой» механической характеристикой (4 АС); короткозамкнутая обмотка этих двигателей имеет повышенное активное сопротивление; б) двигатели с повышенным пусковым моментом, имеющие двойную клетку на роторе (4 АР); в) многоскоростные двигатели — на две, три и четыре частоты вращения в диапазоне от 500 до 3000 об/мин; г) двигатели на частоту 60 Гц, имеющие частоту вращения на 20 % выше, чем двигатели основного исполнения при той же мощности; д) двигатели малошумные (с улучшенной балансировкой, с подшипниками более высокого класса и т. д. ); е) двигатели со встроенным электромагнитным тормозом (для электроприводов с частыми пусками); к) двигатели, встраиваемые в механизмы, приводимые ими во вращение (4 АВ); з) двигатели лифтовые двухскоростные со встроенной темпе ратурной защитой, малошумные для привода лифтов в жилых и промышленных зданиях и др.
Серия трехфазных асинхронных двигателей АИ • Двигатели этой серии имеют общепромышленное назначение. Они изготавливаются с высотами осей вращения от 45 до 355 мм мощностью от 0, 025 до 315 к. Вт на напряжение 220/380 и 380/660 В, частотой 50 Гц. Возможно изготовление двигателей на частоту тока 60 Гц. По степени защиты двигатели этой серии имеют исполнения: закрытое обдуваемое для всех высот оси вращения или защищенное с внутренней самовентиляцией для высот оси вращения от 160 до 355 мм. • В отличие от серии 4 А в двигателях серии АИ более широко использованы высокопрочные алюминиевые сплавы и пластмассы и применена более совершенная система вентиляции, обеспечивающая снижение температуры нагрева двигателей при номинальной нагрузке на 10— 20 °С относительно двигателей серии 4 А. Для наиболее массового отрезка серии с высотами осей вращения от 71 до 100 мм применены подшипники с улучшенными виброакустическими характеристиками. Улучшение вентиляционного и подшипниковых узлов обеспечило двигателям серии АИ снижение уровня шума и повышение надежности.
Высоковольтные асинхронные двигатели • • • Для привода ряда промышленных установок требуются двигатели большой мощности: 500, 800, 1000 к. Вт и более. Обычно асинхронные двигатели такой мощности делают высоковольтными — на 6000 или 10 000 В. Различают следующие серии: АН 2 применяют для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, например мощных вентиляторов, насосов и т. п. Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 500 до 2000 к. Вт при частоте вращения (синхронной) 1000, 750, 600, 500 и 375 об/мин. Двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть напряжением 6000 В, частотой 50 Гц. АН 32 также являются высоковольтными (6000 В), но, в отличие от двигателей серии АН 2, они имеют закрытое исполнение с вентиляцией от постороннего вентилятора. Двигатели этой серии имеют мощность от 500 до 2000 к. Вт. АТД 2 изготавливаются мощностью от 1000 до 5000 к. Вт; напряжением питания 6000 В. В отличие от ранее рассмотренных, двигатели этой серии выполняются и со стояковыми подшипниками скольжения. Система вентиляции двигателей радиальная симметричная, разомкнутая или замкнутая.
Крановые и краново-металлургические асинхронные двигатели • Применяют для привода крановых механизмов общепромышленного назначения, а также других агрегатов, работа которых характеризуется частыми пусками и остановками, большими перегрузками. • МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором) для привода механизмов, работающих в тяжелых условиях металлургического производства при повышенной температуре окружающей среды.
Скачать презентацию Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных
Асинхронн дв .ppt