Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АД С ФАЗНЫМ РОТОРОМ.

Цель работы:Определить влияние величины сопротивления в цепи фазного ротора на чистоту фазного ротора.

Теоретические положения

.Устройство асинхронной машины

Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора.

Рисунок. 5.1 — Электромагнитная схема асинхронной машины

Фазы обмотки статора , и соединяют в звезду или треугольник и Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. По конструкции двигатели подразделяют на два основных типа: с фазным ротором (их иногда называют двигателями с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь формой выполнения ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором . На статоре расположена трехфазная обмотка (одно- или двухслойная), которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки». Такая обмотка является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет. Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замк­нутых накоротко с торцов двумя кольцами Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции.. В двигателях боль­шой мощности беличью клетку выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца В двигателях малой и средней мощности бе­личью клетку получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сер­дечника ротора Вместе со стержнями беличьей клетки отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машин. Особенно пригоден для этой цели алюминий, так как он обладает малым удельным весом, легко­плавкостью и достаточно высокой электропроводностью.

Рисунок. 5.2 — Конструкция короткозамкнутого ротора:

1 – сердечник ротора; 2 – стержни; 3 – короткозамыкающие кольца; 4 – лопасти вентилятора.

В электрическом отношении беличья клетка представляет собой многофазную об­мотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко.

Число фаз обмотки равно числу пазов ротора , причем в каждую фазу вхо­дят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Двигатели с фазным ротором обмотка статора выполнена таким же образом, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Об­мотку ротора обычно соединяют звездой, три конца которой выводят к трем контактным кольцам, которые крепятся на валу машины. С помощью металлографических щеток, скользящих по контактным кольцам, в цепь обмотки ротора включают пусковой или пускорегулирующий реостат с целью ограничения пускового тока и увеличения пускового момента.

Рисунок. 5.3 — Асинхронный двигатель с фазным ротором (а), и схема его включения (б):

4 – сердечник ротора, 7 – кольца, 8 – пусковой реостат.

Принцип действия асинхронного двигателя

Электромагнитная схема асинхронной машины отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размешена на неподвижном статоре, а вто­ричная — на вращающемся роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор. При питании трехфазным током обмотки статора создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная) . Если ротор неподвижен или вращается с частотой, меньшей , то вращающееся поле индук­тирует в проводниках ротора ЭДС и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент.

Относительную разность частот вращения маг­нитного поля статорной обмотки и ротора называют скольжением:

.

Скольжение часто выражают в процентах:

.

Очевидно, что при двигательном режиме:

.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и ак­тивной составляющей тока ротора, т.е. асинх­ронная машина перейдет в генераторный режим При этом изменит свое направление и магнитный момент , который станет тормозящим. В данном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть. В генераторном режиме .

Если изменить направление вращения рото­ра (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противопо­ложных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в провод­никах ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т.е. машина бу­дет получать из сети активную мощность. Однако в таком режиме электромагнитный момент направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим ра­боты асинхронной машины называют электромагнитным торможением. В режиме электро­магнитного торможения направление вращения ротора является отрицательным (по отно­шению к направлению магнитного поля, поэтому , а .

На практике чаще всего встречается двигательный режим асинхронной машины.

Описание схемы.

Асинхронный двигатель М получает питание от источника переменного3-х фазного тока “G1” через трансформаторную группу “А2”и автомат “А6”. В цепь ротора АД введено пускорегулировочное сопротивление- блок “А9”. В качестве нагрузочного узла применяется генератор постоянного тока независимого возбуждения. Обмотка возбуждения получает питание от регулируемого источники питания “G2”. В качестве нагрузочного сопротивления в цепи якоря генератора применяется блок “A10”. Для контроля тока и напряжения в цепи якоря применяется амперметр А2 и вольтметр V2; для контроля тока в цепи статора применяется амперметр “A1”, для контроля мощности – измеритель мощности “P2”. Для контроля скорости применяется прибор “n”- Р5 и датчик скорости “B”.

Испытуемый двигатель, генератор и тахогенератор находятся на одном валу.

Данные по аппаратуре приведены в таблице 5.1.

Перечень аппараты.

Рисунок 5.11 – Принципиальная схема опытной установки

Читать еще:  Что такое реактивный двигатель и как он работает

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

Асинхронный электродвигатель – очень распространенная электрическая машина. Он прост в изготовлении и обслуживании, а из-за простоты конструкции – очень надежен. Но есть у него один недостаток – угловая скорость вращения вала неизменна и зависит от количества полюсов обмотки статора. А как быть, если в процессе работы требуется изменять частоту вращения?

Необходимость регулировки оборотов в основном требуется для электродвигателей, устанавливаемых на кранах. Выполняют они там следующие основные функции:

  • перемещение крана (моста крана) по рельсам;
  • перемещение тележки крана (в перпендикулярной рельсам плоскости);
  • подъем груза.

Для перемещения моста крана могут использоваться два двигателя (на обоих концах моста). Для подъема груза могут использоваться два гака разной грузоподъемности, поднимаемые разными электродвигателями. Один гак может иметь два диапазона скоростей подъема, и тоже использовать для этого два электродвигателя.

Мостовой кран

Есть и другие механизмы, скоростью вращения которых нужно управлять: конвейеры, вентиляторы.

Еще одна причина изменять скорость вращения электродвигателя – необходимость его плавного разгона. В момент включения он потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный. Называется он пусковым током. Если при этом еще и нагрузка мотора тяжелая и тоже разгоняется с трудом, то время пуска двигателя увеличивается, а пусковые токи нагревают обмотку статора и могут ее вывести из строя. Да и вал электромотора, его подшипники испытывают механические нагрузки, сокращающие их ресурс.

Электродвигатели постоянного тока способны изменять скорость вращения вала. Для этого в цепи их обмоток включаются реостаты. Этот метод решения проблемы используется на электрифицированном транспорте: в трамваях, троллейбусах, электричках, метро. Но вся инфраструктура энергоснабжения этих потребителей организована особым образом, ведь у постоянного тока свои особенности. Использовать же постоянный ток на предприятиях, большинство потребителей которых работает от сети трехфазного переменного тока, не выгодно. Да и у самих электродвигателей постоянного тока недостатков хватает: сложный щеточный аппарат, уход за коллектором. Реостаты греются, а дистанционное управление несколькими реостатами сразу – сложно.

Поэтому в подобных механизмах используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Статор этого электродвигателя ничем не отличается от обычного. А вот в его ротор добавлены обмотки трех фаз, соединенные в звезду, концы которых выведены на контактные кольца. По кольцам скользят щетки, с помощью которых обмотки подключаются к электрической цепи.

Фазный ротор

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором работает так:

  • ток в обмотках статора создает вращающийся магнитный поток внутри него;
  • изменяющийся во времени магнитный поток, пересекая витки обмотки ротора, наводит в них ЭДС;
  • поскольку обмотка ротора замкнута, за счет наведенной ЭДС в ней возникает ток;
  • проводники обмотки ротора с током взаимодействуют с вращающимся полем статора, создается вращающий момент.

Особенность асинхронного двигателя с фазным ротором: ток в роторе можно изменять, подключая последовательно с его обмотками резисторы. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток в роторе. С уменьшением тока уменьшается и сила взаимодействия с вращающимся полем статора. Скорость вращения падает.

Конструкция асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Наличие резисторов в цепи ротора увеличивает объем пускорегулирующей аппаратуры двигателя. Мощность, которая рассеивается на них, возрастает с мощностью электродвигателя. Но и для небольших моторов она существенна, что приводит к громоздким конструкциям магазинов сопротивлений и необходимости обеспечивать им постоянное охлаждение. Резисторы изготавливаются из материалов, имеющих высокое удельное сопротивление. Проводники их наматываются на каркасы или монтируются на изоляторы из фарфора. Конструкция помещается в кожух с жалюзийными отверстиями для охлаждения или закрываются сеткой.

Не всегда возможно разместить резисторы в помещениях. На кранах они находятся непосредственно на мосту, что приводит к массовому скоплению внутри них пыли и необходимости часто проводить техническое обслуживание.

Плавная регулировка скорости электродвигателя с фазным ротором не производится. Изменение сопротивления в цепи ротора производится фиксированными ступенями. Для этого резисторы разделяются на секции, соединенные последовательно, в цепях которых устанавливаются контакторы управления. При необходимости увеличить скорость вращения контакторы шунтируют часть резисторов, уменьшая их суммарное сопротивление. Для достижения максимальной скорости вращения шунтируются все резисторы, для минимальной – не шунтируется ничего.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

А теперь рассмотрим несколько примеров построения схем управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Плавный запуск двигателя с фазным ротором

Система плавного разгона электродвигателя с фазным ротором работает автоматически. Оператор нажимает кнопку «Пуск», дальше автоматика все делает сама.

Главный контактор подключает к трехфазному напряжению обмотку статора. Двигатель начинает вращение с минимально возможной скоростью, так как в цепь его ротора включены резисторы с максимально возможным сопротивлением.

Через фиксированную задержку, формируемую реле времени, включается первый контактор, шунтирующий первую секцию сопротивлений в цепи ротора. Скорость вращения немного возрастает. Проходит еще время, второе реле времени запускает следующий контактор. Шунтируется следующая секция сопротивлений, ток в цепи ротора возрастает, скорость вращения – увеличивается. И так далее, до полного исключения всех сопротивлений из цепи ротора. При этом электродвигатель выходит на номинальные обороты.

Схема плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Число ступеней разгона выбирается из условий тяжести запуска. Разгон получается не таким уж плавным, ток в статоре возрастает ступенями. При старте и переходе на каждую последующую ступень, электродвигатель все равно потребляет пусковой ток, хоть и меньшего значения.

Читать еще:  Что такое компрессия двигателя и как ее измерить

Этого недостатка лишены электродвигатели, для разгона которых используются жидкостные пускатели (или стартеры). В них в качестве резистора используется жидкость с высоким удельным сопротивлением. Это – дистиллированная вода с растворенной в ней специальной солью. Уменьшение сопротивления достигается за счет уменьшения расстояния между электродами, помещенными в эту жидкость. Электроды приводятся в движение небольшим электродвигателем через червячную передачу. За счет этого уменьшение сопротивления в цепи ротора и разгон электродвигателя происходят плавно.

Регулировка скорости крановых электродвигателей

Если при плавном запуске электродвигателя с фазным ротором управление переключением сопротивлений происходит автоматически, то на кране этим управляет оператор – крановщик. Для этого в его кабине размещаются органы управления – контроллеры (на старых кранах) или джойстики (на современных). Они имеют два направления движения: «вперед-назад», «влево-вправо» или «вверх-вниз», в зависимости от назначения контроллера (управление мостом, тележкой или подъемом груза соответственно). В каждом из направлений рукоятка управления проходит ряд фиксированных положений. Чем дальше положение от рукоятки от средней точки, в которой привод выключен, тем больше скорость вращения электромотора. И тем быстрее происходит перемещение механизма или подъем (опускание) груза.

Типовая схема управления электродвигателем крана

При изменении направления перемещения рукоятки управления изменяется направление вращения электродвигателя. Это происходит за счет переключения чередования фаз питания обмотки статора. Для этого две фазы меняются местами. Происходит это путем подачи напряжения на обмотку реверсивными контакторами, состоящих из двух элементов: контактора «Вперед» и контактора «Назад».

При переключении скоростей другими контакторами из цепи обмотки ротора удаляется часть резисторов. Первое положение рукоятки управления всегда включает электродвигатель с полным набором сопротивлений в цепи ротора. Крайнее положение рукоятки шунтирует все сопротивления.

Преимущества и недостатки асинхронного двигателя

Подавляющее большинство электродвигателей, используемых в промышленности – асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В новом оборудовании их доля составляет более 95%, остальное – серводвигатели, шаговые двигатели, щеточные двигатели постоянного тока и некоторые другие специфические виды приводов.

Преимущества асинхронного двигателя

Конструкция. По сравнению с другими типами электродвигателей асинхронный двигатель имеет наиболее простую конструкцию. С одной стороны это объясняется использованием стандартной трехфазной системы электроснабжения, с другой – принципом действия агрегата. Данная особенность обуславливает еще одно важное преимущество — невысокую цену асинхронных приводов. Среди двигателей разных типов одинаковой мощности асинхронный будет самым дешевым.

Подключение. Благодаря тому, что в стандартной трехфазной системе питания фазы сдвинуты на 120°, для формирования вращающегося поля не нужны дополнительные элементы и преобразования. Вращение поля внутри статора и, как следствие, вращение ротора обусловлены самой конструкцией асинхронного двигателя. Достаточно обеспечить подачу напряжения через коммутационный аппарат (контактор или пускатель), и двигатель будет работать.

Эксплуатация. Затраты на эксплуатацию асинхронного электродвигателя крайне малы, а обслуживание не представляет никаких сложностей. Нужно лишь время от время проводить чистку от пыли и по необходимости протягивать контакты подключения. При правильной установке и эксплуатации двигателя замена подшипников производится раз в 15-20 лет.

Недостатки асинхронных двигателей

Скорость вращения ротора. Скорость вращения вала двигателя зависит от частоты питающей сети (стандартные значения в промышленности – 50 и 60 Гц) и от количества полюсов обмоток статора.

Это можно считать недостатком в том случае, когда необходимо в процессе работы менять скорость вращения. Для решения данной проблемы были разработаны многоскоростные асинхронные двигатели, у которых имеется возможность переключения обмоток.

Кроме того, в современном оборудовании управление скоростью реализуется за счет преобразователей частоты.

Скольжение. Эффект скольжения проявляется в том, что частота вращения ротора всегда будет меньше частоты вращения поля внутри статора. Это заложено в принцип работы асинхронного двигателя и отражено в его названии. Скольжение также зависит от механической нагрузки на валу.

При необходимости скольжение можно скомпенсировать, а скорость вращения сделать независимой от нагрузки при помощи преобразователя частоты.

Величина напряжения питания. В сырых и влажных помещениях, где действуют повышенные требования к электробезопасности, применение асинхронного электродвигателя может быть невозможным. Дело в том, что из-за конструктивных особенностей такие двигатели практически не производятся на напряжение питания менее 220 В. В таких случаях применяют приводы постоянного тока, рассчитанные на напряжение 48 В и менее, либо используют гидравлические или пневматические приводы.

Чувствительность к напряжению питания. При отклонении напряжения питания более чем на 5% параметры двигателя могут отличаться от номинальных, а сам агрегат может перегреваться. Кроме того, при понижении напряжения падает момент электродвигателя, который квадратически зависит от напряжения.

При использовании преобразователя частоты скорость вращения меняется путем изменения величины и частоты питающего напряжения. Принципиально, что отношение напряжения к частоте должно быть константой.

Пусковой ток. Большой пусковой ток – проблема асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт. При пуске ток может превышать номинальный в 5-8 раз и длиться несколько секунд. Из-за этого негативного эффекта мощные двигатели нежелательно подключать напрямую.

Чаще всего для понижения пускового тока применяют схему «Звезда-Треугольник», устройства плавного пуска и преобразователи частоты. Также можно использовать асинхронные двигатели с фазным ротором.

Пусковой момент. В силу электрических и механических переходных процессов в момент пуска двигатель обладает крайне низким КПД и большой реактивностью. Из-за низкого пускового момента привод может не справиться с началом вращения тяжелых механизмов. Этот же недостаток приводит к нагреву двигателя при пуске. Отсюда возникает другая проблема – ограничение количества пусков в единицу времени.

Читать еще:  Что такое паук на авто двигателя

При использовании частотного преобразователя момент при пуске и на низких частотах может быть увеличен за счет повышения напряжения.

Вывод

Плюсы асинхронных двигателей значительно перевешивают минусы. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска.

Асинхронные двигатели АИР. История, особенности, производители

На самом деле, данная маркировка появилась более 30 лет назад. На территории стран социалистического лагеря были разработаны единые стандарты, их разработчик — Международная организация по экономическому и научно-техническому сотрудничеству в области электротехнической промышленности «Интерэлектро», которая была учреждена на основе Соглашения, подписанного правительствами ряда стран, включая СССР, 13 декабря 1973 года.

Маркировка «АИ» обозначает «асинхронные электродвигатели Интерэлектро». АИР — их разновидность для внутренних продаж и экспорта.

Данные двигатели унифицированны по рядам мощностей, установочных размеров и других характеристик.

Сегодня двигатели АИР производит ряд заводов, некоторые из них: в России — «Мосэлектромаш», Ярославский электромашиностроительный завод (ОАО «ELDIN») и в Украине — СЛЭМЗ, Могилевский завод «Электродвигатель» и крупнейший — Харьковский электротехнический завод Укрэлектромаш (ХЭЛЗ).

Виды обозначения в серии АИР

В серии АИ принято три вида обозначения: базовое, основное и полное. Базовое обозначение — это сочетание элементов символов, которые определяют серию, его мощность, частоту вращения (обозначение серии, вариант увязки мощности к установочным размерам, высоту оси вращения, установочный размер подлине станины и длина магнитопровода статора, число полюсов), например: АИР200 Мб (серия АИ, увязка по варианту Р, высота оси вращения 200 мм, длина корпуса по установочным размерам М, число полюсов 6).

Основное обозначение — это сочетание базового обозначения электродвигателя с обозначением вида защиты и охлаждения, электрической и конструктивной модификации, специализированного исполнения и исполнения по условиям окружающей среды, например: АИРБС100М4НПТ2 (АИР100М4 — базовое обозначение, Б — закрытое исполнение с естественным охлаждением без обдува, С — с повышенным скольжением, Н — малошумные, П — с повышенной точностью установочных размеров, Т — для тропического климата, 2 — категория размещения).

Полное обозначение — сочетание основного обозначения с дополнительными электрическими и конструктивными характеристиками, например: АИРБС100М4НПТ2 220/380 В, 60IM218I, КЗ-Н-3, F-100, (АИРБС100М4НПТ2 — основное обозначение, 220/380 В — напряжение, 60 — частота сети, IM2181 — исполнение по способу монтажа и по концу вала, КЗ-Н-3 — исполнение выводного устройства и число штуцеров, F100 — исполнение фланцевого щита).

Итак, полное стандартизованное обозначение описывает практически все характеристики двигателя и имеет вид — АИР ХХХ ДПСИ, КККК ММММММ ЗЗЗЗ, где

АИР — обозначение серии;

ХХХ – габарит, высота оси двигателя в миллиметрах (56, 63 … 355);

Д – длина пакета статора, установочный размер (А, В, L, S, M);

П – число пар полюсов;

СИ – специальное исполнение ( Б, Е, Е2, Ж, Р3, Ш, П, Ф, А, Х2);

КККК – исполнение по климатическим условиям (У1…У3, УХЛ2, УХЛ4, Т2, ОМ2);

ММММММ – способ монтажа (IM1081, IM2081, IM2181, IM1082, IM2082, IM5010);

ЗЗЗЗ – степень защиты оболочки (IP44, IP54, IP55).

Конструктивные исполнения двигателей АИР

Электродвигатели АИР имеют следующие конструктивные исполнения

по окружающей среде (тропическое, химическое, для сельского хозяйства);

по установочным размерам;

имеющие дополнительные функции (фазный ротор, электромагнитный тормоз), повышенный пусковой момент, узкоспециальные и другие функции.

Преимущества двигателей АИР:

низкий уровень шума

высокий класс нагревостойкости изоляции

высокая степень защиты электродвигателя от влаги

отсутствие подвижных контактов

Двигатели АИР обладают привлекательными свойствами и с точки зрения изготовителя, и с позиции потребителя.

Благодаря простой конструкции эти двигатели легко производить, обслуживать и ремонтировать.

Устройство работает непосредственно от сети с переменным током, а множество вариантов исполнения (по монтажу, защите, климатическим условиям и пр.) позволяет эксплуатировать асинхронный двигатель практически в любых условиях, в том числе в помещениях с присутствием агрессивных сред.

Мотор обладает высоким коэффициентом полезного действия. В зависимости от конкретного типа этот показатель достигает 85%. Он пригоден для использования в оборудовании непрерывного цикла, например, в приводных узлах конвейеров, транспортеров и т. п.

Асинхронный двигатель высоко надежен и редко выходит из строя. Он успешно претерпевает кратковременные механические перегрузки.

Мотор как нельзя лучше подходит для целей автоматизации производственных процессов. Совокупность таких качеств, как надежность, легкость монтажа, простота обслуживания, неприхотливость к условиям эксплуатации делают его незаменимым в деле поддержания автоматической работы устройств.

Практически каждый асинхронный двигатель в соотношении цены и качества оказывается исключительно выгодным приобретением.

Китайские АИР

Если ранее двигатели АИР производили только участники «Интерэлектро», сегодня серию активно производит Китай. В связи с распространенностю маркировки китайские производители имеют возможность изготавливать большие объемы продукции по одним стандартам, что очень выгодно. Для выпуска данных двигателей достаточно соблюдения стандартов и предписаний по тех.характеристикам.

Однако китайские двигатели имеют ряд недостатков, которые заставляют относится к ним настороженно. Первейшие из них это, конечно, качество материалов и сборки. Отечественные двигатели, по общему мнению потребителей, значительно выигрывают в качестве. Убедиться в этом вы можете сами!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector