Лекция 10 Асинхронные машины Трёхфазные асинхронные двигатели

Лекция № 10 Асинхронные машины. Трёхфазные асинхронные двигатели (ТАД) 1. Назначение, устройство, принцип действия ТАД 2. Электромагнитный вращающий момент 3. Анализ механической характеристики ТАД

1. Назначение, устройство, принцип действия ТАД Неподвижный статор Для создания вращающегося магнитного поля машины с помощью трехфазной обмотки, питаемой трехфазной системой токов Вращающийся ротор Для преобразования электрической энергии в механическую вращательного движения с помощью индуцированной ЭДС и токов в его обмотке 2

Основные элементы конструкции асинхронных двигателей

Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели c короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Они просты по конструкции, дешевы, надежны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых приспособлений. Наряду с преимуществами АД имеют ряд недостатков: - низкий коэффициент мощности (соsφ) при неполной нагрузке (при холостом ходе соsφ = 0, 2… 0, 3); - большой пусковой ток; - низкий КПД при малых нагрузках; - относительная сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных характеристик, и в первую очередь механических характеристик

Конструкция асинхронных двигателей Клеммная коробка ротор Подшипниковый щит (правый) статор Кожух вентилятора Вентилятор Подшипниковый щит (левый) Подшипник Лапы крепления 5

Элементы конструкции асинхронных двигателей Обмотанный статор Обмотка статора Станина Необмотанный статор Ротор без вала 6

Обмотка статора обычно выполняется трёхфазной, состоящей из трёх самостоятельных обмоток, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на 120° В двигателях низкого напряжения (до 1000 В) концы каждой фазы обмотки статора присоединены к клеммам, которые расположены на щитке, укреплённом на корпусе двигателя, и обозначены соответственно: С 1 - С 4 (фаза А); С 2 С 5 (фаза В) и С 3 - С 6 (фаза С) (рис. 8. 3).

Устройство обмоток роторов АД Обмотка ротора может быть выполнена короткозамкнутой или фазной. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки, состоящей из медных (латунных) или алюминиевых стержней и замыкающих их на торцах колец (рис. 8. 5, а). У двигателей с фазным ротором одни концы обмоток 2 ротора соединяются с контактными кольцами 3, расположенными на валу двигателя, а другие - соединены в звезду (рис. 8. 5, б). Контактные кольца соединяются с клеммами пускового реостата 5 с помощью щёток 4 и щеткодержателей

АД с фазным ротором 10

Принцип действия АД Принцип действия основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, индуктируемыми вращающимся полем статора в проводниках ротора. Согласно закону электромагнитной индукции в. м. п. индуктирует ЭДС e 1 и e 2 в обмотках статора и ротора, а так как обмотки ротора замкнуты, то в них протекают токи, значения которых зависят от нагрузки. Согласно закону Ампера в результате взаимодействия в. м. п. статора с токами i 2 роторных обмоток на валу АД возникает вращающий электромагнитный момент (в Н·м) M = F·d/2

Условно-логическая схема работы двигателя

Принцип действия АД Направление вращения кольца Алюминиевое кольцо U-образный магнит Направление вращения магнита

Физическая модель вращающегося магнитного поля Трехфазная система вращающегося поля i. А BA t 0 BА BС 0 BB BВ t 0 BC i. В i. С i. В t 0 14

Вращающееся поле i(t) T i. A(t) Im a=0 A BВ BS BS C BВ C t=0 A t = T /6 a = p /2 a = 4 p /3 BC t = T /3 B C A BB = 0 B BA t = 2 T /3 B a = 5 p /3 BC = 0 BВ BS BA = 0 t = T /2 BВ BS A A BC C C t T 2 T/3 BB = 0 B Im 5 T/6 BA BC = 0 B BC T/3 BA a = p/3 BA = 0 T/6 a = 2 p/3 A i. C(t) T/2 0 –Im i. B(t) BS BC C BS BA t = 5 T /6 15

Таким образом, МДС трёх обмоток статора, расположенных в пространстве под углом 120° друг к другу, при подключении их к трёхфазной сети синусоидального тока, создают вращающееся магнитное поле (в. м. п. ), аналогичное по форме магнитному полю вращающегося двухполюсного магнита (с одной парой р полюсов) с подобным распределением магнитной индукции на полюсах. Частота вращения вращающегося магнитного поля (называемая синхронной частотой вращения) зависит от частоты напряжения сети ƒ 1 и числа пар р полюсов, определяемого числом обмоток статора, т. е. n 1 = 60·ƒ 1/p.

Упрощенная конструкция ТАД (1 пара полюсов) A i. C(t) i. A(t) i. C(t) 1 i. A(t) C B i. B(t) 2 i. B(t) 3 i. B(t) i. A(t) i. C(t) B C i. A(t) i. C(t) A 17

i. А BА BС 0 BВ i. В р об/мин 3 4 5 6 8 10 1000 750 600 500 375 300 i. С 18

Скольжение и частота вращения ротора Степень отставания частоты вращения ротора n 2 от частоты вращения магнитного поля n 1 статора оценивается скольжением S: Диапазон изменения скольжения в АД 1 ≥ S ≥ 0. При пуске n 2 = 0, S = 1; при холостом ходе S = 0, 001. . . 0, 005; при номинальной нагрузке S = 0, 03. . . 0, 07. Частота вращения ротора выражается через скольжение, т. е. Отсюда следует, что регулировать частоту вращения ротора можно изменением частоты ƒ 1, числа пар полюсов p и скольжения S.

Фазные ЭДС, которые индуктируются в обмотках статора, где k 01 ≈ 0. 93. . . 0. 97 - обмоточный коэффициент катушки статора. Фазные ЭДС вращающегося ротора где k 02 ≈ 0. 93. . . 0. 97 - обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Скольжение и частота вращения n 1 n ns n 1 – n = ns E 2 = 4, 44 f 1 s w 2 Ф E 20 = 4, 44 f 1 w 2 Ф E 2 = E 20 s X 2 s = L 2 sw 2 = 2 p f 2 = 2 p f 1 s; X 2 s = L 2 s 2 p f 1 s 21

Токи, напряжения и ЭДС I 1 R 1 jw L 1 s jw L'2 s R'2 I 1+I'2 U 1 Е 10 jw n 12 M 22

Энергетическая диаграмма Подведенная Pмех Pэл P 1 P 2 Преобразованная DPмех Потери Генератор DPэл P 1 Pэл Pмех P 2 Преобразованная DPэл DPмех Потери Двигатель 23

2. Электромагнитный вращающий момент Электромагнитный момент возникает под влиянием сил, действующих на проводники ротора, которые находятся во вращающемся магнитном поле 24

3. Анализ механической характеристики ТАД Характеристика момент-скольжение Точка s=0, М=0 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, а точка s ном, М ном - номинальному режиму. Прямолинейный восходящий участок – рабочий участок, скольжение на нём s=0÷ 0, 08. Участок от начала нелинейности до вершины характеристки соответствует механической перегрузке двигателя, а вершина соответствует критическому моменту. М Мкр Мном Мп sкр М sном s s =1 25

Участок характеристики от начала координат до её вершины называется участком статической устойчивой работы двигателя, под которой понимается свойство двигателя автоматически компенсировать малые отклонения в режиме работы за счёт собственных характеристик. Участок характеристики от вершины до точки Мп – участок неустойчивой работы. На участке s>1 направление вращения ротора противоположно направлению вращения магнитного поля.

Механическая характеристика Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента нагрузки на валу. От её характера зависит пригодность асинхронного двигателя для привода различных механизмов. n nном nкр n = n 0 Мп Мном Мкр

Рабочие характеристики двигателя Эксплуатационные свойства асинхронного двигателя можно оценить по рабочим характеристикам, которые изображаются кривыми, выражающими графические зависимости от полезной мощности Р 2 величин: тока I 1 в обмотке статора, КПД , скольжения S, коэффициента мощности cosφ, полезного момента M на валу АД при U 1 = const и ƒ 1 = const (рис. 8. 12). Их определяют экспериментально или путём расчёта, используя схему замещения АД.

При холостом ходе P 2 = 0, а токи обмоток статора I 0, создающие вращающееся магнитное поле, довольно велики и составляют 30. . . 50% номинальных токов I 1 н. Вследствие потерь в магнитопроводе и вентиляционных потерь у двигателя при холостом ходе cosφ = 0, 1. . . 0, 2. Частота вращения ротора n 2 = (0, 995. . . 0, 998)n 1

По мере роста нагрузки на валу ток статора увеличивается, как и активные мощности P 2 и P 1. В свою очередь, увеличивается При этом скольжение S увеличивается, а частота вращения вала n 2 уменьшается, поскольку это единственная причина увеличения тока и вращающего электромагнитного момента. При нагрузках, близких к номинальной, рост КПД замедляется; более того, он может несколько падать вследствие увеличения потерь в обмотках двигателя. При номинальной нагрузке КПД двигателей мощностью 3. . . 100 к. Вт η = 0, 8. . . 0, 93, а cosφн = 0, 7. . . 0, 9.