Avtoargon.ru

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

Применение асинхронных электродвигателей в промышленности

Применение асинхронных электродвигателей в промышленности

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Агрегат, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Эти машины могут применяться в бытовой технике (маломощные асинхронные двигатели) и в промышленности (краны и лебедки общепромышленного значения и прочее).

Рисунок 1. Классический пример трехфазного асинхронного электродвигателя — двигатель серии АИР Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели — они используются во всех сферах народного хозяйства (станки и оборудование, автоматика, телемеханика и т. д.).

На сегодняшний день именно этот тип электрических машин наиболее распространен. Объясняется это простотой эксплуатации, надежностью этих машин, небольшим весом и удачными габаритными размерами.

Электродвигатель с короткозамкнутым ротором используется в электроприводах разных станков (металлообрабатывающих, грузоподъемных, ткацких, деревообрабатывающих), в вентиляторах, землеройных машинах, в лифтах, насосах, бытовых приборах и т.д.

Электродвигатель асинхронный с короткозамкнутым ротором позволяет значительно снизить энергопотребление оборудованием, которое он питает, обеспечить высокий уровень его надежности, увеличить срок службы. Совокупность этих характеристик, как правило, сразу положительно отражается на модернизации всего производства.

Основные виды и некоторые характеристики электродвигателя асинхронного однофазного и трехфазного

Сегодня самыми востребованными в разных отраслях промышленности и любого производства являются следующие виды машин:

  • общепромышленные — применяются на производстве и в агропромышленном секторе;
  • взрывозащищенные — предназначены для использования в отраслях промышленности взрывоопасной: химическая, добыча нефти, газовая и угледобывающая промышленность;
  • электродвигатели крановые, подходящие для работы в составе любых поворотных и крановых механизмов.

Рисунок 2. Двигатель с фазным ротором — крановый серии МТF. Электродвигатели прочно вошли в современную промышленность. От их надежности и качества зависит все производство. Не важно, стиральная машина или ткацкий станок, складское оборудование или система вентиляции — работа многих машин невозможна без исправной работы электромотора. В этой связи важно не просто купить электродвигатель, например у надежного поставщика, но и неукоснительно соблюдать все указанные в сопроводительных документах условия эксплуатации. Для северного сурового климата, к примеру, требуются специальные двигатели, которые рассчитаны на эксплуатацию в условиях низких температур. Для эффективной работы в электродвигателях может использоваться встроенная температурная защита. Такое конструктивное решение позволяет отключить двигатель от сети, если температура обмоток или подшипников превысит норму, или включить дополнительные вентиляторы обдува.

Занятие 38. Пусковые характеристики асинхронного двигателя

График зависимости М = f (s) называется пусковой характеристикой двигателя.

Изменяя значение скольжения от s = 0 до s = 1 и, находя по приведенной формуле значение момента можно пусковую характеристику.

Для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающего и тормозящего моментов: с увеличением нагрузки на валу двигателя должен соответственно возрастать и вращающий момент.

Это уравновешивание у работающего асинхронного двигателя осуществляется следующим образом:

при увеличении нагрузки на валу тормозящий момент оказывается больше вращающего, вследствие чего скорость вращения ротора уменьшается – скольжение возрастает.

Повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении.

Однако зависимость вращающего момента от скольжения сложна. В частности, повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента только при изменении скольжения в определенных пределах. За этими пределами нарушенное равновесие моментов не восстанавливается – двигатель останавливается.

На пусковой характеристике имеются три характерных точки, определяющих условия работы двигателя. (А,Б,В)

В точке А двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие электромагнитного и противодействующего моментов Мэм = М2;.
В точке Б работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку А.
Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть — областью неустойчивой работы.

Точка Б, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы.
Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение Sk. Скольжению S = 1 соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М2 больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным.

Рис.38.1. Пусковая характеристика асинхронного двигателя.

Для целей электропривода большое значение имеет зависимость скорости

вращения двигателя от нагрузки на валу n=F(M); эта зависимость носит назва-

ние механической характеристики(рис.38.2).

По форме своей она отличается от кривой M=F(s) только положением по отношению к координатным осям.

Рис. 38.2. Механическая характеристика асинхронного двигателя

ВУЗРУ

«Научные статьи, доклады, лекции, эссе преподавателей и студентов России»

Основные понятия и особенности асинхронного двигателя

Из-за своей конструктивной особенности асинхронный двигатель лишен некоторых недостатков, которые характерны для машин постоянного тока. Так как коллектор и щетки в асинхронном короткозамкнутом двигателе отсутствуют, двигателю характерны большая предельная единичная мощность, более высокая перегрузочная способность,более высокие скорости вращения и допустимую скорость изменения момента, лучшие массогабаритные показатели, чем машины постоянного тока. Однако основной проблемой асинхронной машины является пуск и управление.

Читать еще:  Давление в масляной системе двигателя ваз 2109

1.1 Проблема запуска асинхронного двигателя

Пусковые свойства асинхронноймашиныхарактеризуются зависимостью вращающего момента и токов от частоты вращения. Эта зависимость определяет такие показатели какпотери энергии в обмотках, длительность пуска, а так же нагрев двигателя. Для уменьшения потерь энергии в обмотках двигателя и их нагрева и времени пуска стараются увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Пусковой ток не должен быть выше определённых значений для данной сети, большие токи при запуске мощных асинхронных машин может вызвать большиеколебания напряжения в сети, а это в свою очередь негативно скажетсяне только на условия пуска самогоэлектропривода, но и на устойчивость работы других потребителей, подключенных к сети. Кроме того при некоторых неблагоприятных условиях, если падения напряжения будут значительны,пуск двигателя может оказаться вообще невозможным.

Большие пусковые токи могут создавать опасные электродинамические усилия в лобовых частях обмотки статора и стержнях беличьей клетки. Возникающие при переходных процессах электромагнитные переходные моменты, при запуске могут достигать десяти или даже пятнадцатикратных значений статического начального пускового момента, что в совокупности с предельным температурным напряжением ограничивают сроки эксплуатации асинхронных машин и может привести к перегоранию обмоток статора.

Рисунок 1.1–Изменение тока и напряжения сети при пуске асинхронного двигателя

В первый момент пуска, в обмотке ротора вследствие большой частоты индуктируется ЭДС такой величины, что пусковой ток в 5…7 раз больше номинального значения (рисунок 1.1). Однако коэффициент мощности цепи ротора при пуске мал и поэтому пусковой вращающий момент АД не превышает, как правило, 0,9…1,2 от номинального.

1.2 Обзор вариантов пуска асинхронного двигателя

Основная проблема запуска асинхронного двигателя заключается в том, что запуск сопровождается огромными пусковыми токамиIпуск=5…7Iн. Причина заключается в следующем. Асинхронный двигатель аналогичен по принципу преобразования электрической энергии трансформатору. Следовательно, частота питающей сети и частота ЭДС ротора в начальный момент времени одинаковы. ЭДС ротора можно определить по формуле:

Где,f – частота напряжения;

Ф – магнитный поток;

к2– конструктивный коэффициент.

Как видно из формулы 1.1 напряжение на роторе пропорционально частоте. Так как двигатель асинхронный, это означает, что скорость вращения поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Для оценки данного расхождения в скоростях введено скольжение. На основе скольжения в дальнейшем будут приводиться оценки величины напряжений и частоты.

Формула для скольжения:

Где, n0– скорость вращения поля статора;

n –скорость вращения ротора;

Выведем связь между скольжением и частотой напряжения ротора. Для этого необходимо ввести промежуточную величину, характеризующую частоту вращения магнитного поля относительно частоты вращающегося ротора.

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

Где, f– частота питающей сети;

Как можно понять, скольжение изменяется в пределах от нуля до единицы. Номинальный режим работы асинхронного двигателя составляет(2÷5)%. В данном диапазоне практически исчезают пульсации момента. Следовательно, для равномерного распределения момента при разгоне скольжение должно составлять не более S=0.1. Это достигается тем, что частота питающей сети нарастает равномерно.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора (рисунок 1.2).Такой пуск называется прямым.

Рисунок 1.2– Принципиальная схема прямого пуска двигателя

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно больше, чем во вторичной цепи. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы.В двигателе с короткозамкнутым ротором активно-индуктивное сопротивление цепи ротора незначительное. В начальный момент времени, из-за максимальной частоты в цепи ротора двигателя, величина ЭДС ротора будет максимальной, а значит и ток цепи ротора будет максимальный. Из равенства мощностей обмоток трансформатора можно предположить, что раз ток ротора максимальный, то и ток статора так же будет максимальным.

Читать еще:  Электрическая схема газ 3302 двигатель 402 карбюратор

Для борьбы с этим явлением, в двигателях с короткозамкнутым ротором в цепь статора вводят реостаты для понижения питающей сети.

Рисунок 1.3– Пусковые токи при прямом пуске двигателя

Как видно из рисунка 1.3, в нашем случае, без приведенных способов уменьшения входного тока, пусковой ток превышает номинальный больше чем в 10 раз.

Ниже, на рисунке 1.4, представлены осциллограммы поочередного прямого пуска асинхронных двигателей различной мощности (от 45 до 75кВт). На осциллограммах отчетливо видно превышающие пусковые токи. Кроме того, заметна ярко выраженная асимметрия питания.

Для высокомощных двигателей такой режим пуска может быть критичен, так как высокие пусковые токи могут привести к перегреву обмотки статора и выводу ее из строя. Так как пусковой момент, как видно из рисунка, нестабильный, что в свою очередь может привести к биениям двигателя. Для двигателей, мощностью больше 100кВт, такие пульсации момента могут оказаться критическими, так как они могут привести к механическим повреждениям двигателя, и устройств соединенных механически с двигателем, таким как, например, поломка подшипников.

При использовании методов пуска, в частности введение реостатов в цепи ротора или статора, существенно снижается кпд, т.к. потребляемый ток не производит полезной мощности, а нагревает реостаты. Это существенные потери, которые особенно проявляются при использовании особо мощных двигателей.

С появлением современных силовых полупроводниковых приборов и микроконтроллеров появилась возможность изготовлять различные силовые электронные преобразователи электрической энергии, с помощью которых возможно изменять амплитуду напряжения и частоту. Что позволило, в свою очередь, плавно изменять ток статора.

В зависимости от нужного качества пусковых характеристик, мощности и стоимости различают два основных метода плавного пуска: амплитудный и частотный.

Рисунок 1.4 – Осциллограммы прямого пуска различных асинхронных машин

Запуск двигателя с плавным нарастанием ЭДС питающей сети, при неизменной частоте питающей сети. Схема представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Схема амплитудного пуска «softstart»

На рисунке 1.6 представлен результат моделирования при амплитудном пуске.

Рисунок 1.6 – Осциллограмма амплитудного пуска

На данном рисунке мы видим, что теперь ток превышает номинальный не значительно. Нарастание скорости не линейное. Момент двигателя без пульсаций, но не линейный и зависит от скорости вращения ротора. Момент на валу двигателя подчиняется закону:

Где,с– конструктивный коэффициент;

ψ2 – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора;

cos ψ2 – активная составляющая тока ротора.

Скорость вращения магнитного поля:

Как видно из формулы с увеличением тока ротора момент увеличивается. Так как асинхронный двигатель можно представить как трансформатор, в котором в обязательном порядке соблюдается баланс мощностей на входе и выходе, то при увеличении тока статора будет так же увеличиваться ток ротора, а следовательно будет увеличиваться момент.

Из выше приведенных формул и выводов можно предположить, что если мы будем регулировать не только амплитуду, но и частоту пит.сети, то распределение момента будет почти не зависеть от увеличения скорости вращения ротора. Действительно в начальный момент времени, частота ЭДС ротора равна частоте питающейсети. С увеличением частоты питающей сети, пропорционально будет увеличиваться скорость вращения вала двигателя, следовательно частота ЭДС ротора останется не изменой, а значит останется постоянной ЭДС ротора, что в свою очередь приведет к неизменному току цепи ротора. На рисунке 1.7 приведен частотный пуск двигателя.

Рисунок 1.7 – Осциллограмма частотного пуска

Как видно из рисунка скорость нарастания почти постоянная. Момент на валу имеет не большие пульсации.

Расчетные формулы основных параметров асинхронных двигателей

Уравнения состояния и структурная схема асинхронного электродвигателя

Систему уравнений АД представим записанной в форме Коши,
одновременно заменяя токи обмоток через функции потокосцеплений.

Или, подставляя выражения для токов, получаем:

Подставляем полученные значения токов и момента в уравнения и,
обозначая D1
= L1L2L2m, получаем:

Последние уравнения можно рассматривать как уравнения состояния
АД. В качестве переменных состояния здесь выступают проекции потокосцеплений на
ортогональные оси и угловая частота вращения ротора. Внешними воздействиями на
двигатель являются напряжения статора и момент сил сопротивления.

Эти уравнения нелинейны (содержат произведения переменных
состояния) и решения в общем виде не имеют. Переходные процессы АД обычно
исследуют моделированием на ЭВМ.

Передаточная функция асинхронного электродвигателя

Структурную схему АД можно построить, если перейти от системы
дифференциальных к операторным уравнениям.

Рассмотрим динамику работы АД при управлении напряжением,
подаваемом на обмотку статора. Электромагнитными переходными процессами
пренебрегаем и рассматриваем только электромеханический процесс. В общем виде
момент вращения электродвигателя является функцией частоты вращения и
напряжения на зажимах обмотки статора, а статический момент сопротивления
зависит от частоты вращения.

Читать еще:  Что такое герметик масляной системы двигателя bbf

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку статора, на DU вызывает соответствующие изменения
моментов и частоты вращения:

При единичном сигнале DU(p) = U(p), DW(p) = W(р).
Передаточная функция АД при управлении напряжением, подаваемом на обмотку
статора, имеет вид:

Следует иметь в виду, что kдв и Тэм переменные параметры,
значения которых зависят от точки на механической характеристике, около которой
происходит регулирование.

Передаточная функция АД при частотном регулировании

Получить точное выражение передаточной функции АД, отражающей
электромагнитные и механические переходные процессы при частотном
регулировании, не представляется возможным, потому что имеют место существенные
нелинейности, связанные с преобразованием управляющего сигнала в частоту
напряжения, питающего электродвигатель.

Вопрос осложняется также наличием двух контуров регулирования
по двум взаимосвязанным входам — амплитуде и частоте напряжения. Поэтому для
электроприводов с частотным управлением особое значение имеют методы
моделирования на ЭВМ.

При малых изменениях частоты напряжения Dw1будет изменяться
только активная составляющая тока ротора, реактивной составляющей пренебрегают.
Пренебрегают величинами второго порядка малости. Таким образом, исследуется
вращение ротора в магнитном поле постоянной амплитуды, вращающемся с заданной
частотой при скачкообразном изменении частоты питающего напряжения.
Передаточная функция при принятых условиях:

где а=г2/sL2; b=Lm/sL2; d=2J/(3р2Lm); Imb0 -установившееся значение
тока намагничения.

9.5. Вращающий
(электромагнитный) момент асинхронного электродвигателя

Рассмотрим энергетическую диаграмму трехфазного АД.

В диаграмме приняты следующие обозначения:

P1
— активная мощность, потребляемая двигателем из сети,

Pэл1,
Pэл2
— электрические потери в обмотках статора и ротора,

Pст — потери в стали,

Pэм
— электромагнитная мощность, передаваемая электромагнитным путем ротору,

Pмх— полная механическая мощность,

Pмех,
Рдоб — механические и добавочные потери,

P2
— полезная мощность на валу.

Пусковые характеристики АД, представлены на рисунке.

Максимальному значению момента вращения соответствует некоторое
скольжение sкр,
называемое критическим. Значение критического скольжения во многом определяется
величиной омического сопротивления обмотки ротора.

Асинхронные электродвигатели различных серий имеют широкий
диапазон варьирования параметров пусковых характеристик:

Меняя омическое сопротивление роторной обмотки r, изменяем характер
кривой момента:

Форма кривой момента вращения зависит также от формы пазов
ротора:

1 — с пазами бутылочной формы, 2 — глубокопазный ротор, 3 — ротор
с двойной беличьей клеткой

Режимы работы асинхронных машин

Направление вращения асинхронного электродвигателя при прямом
порядке чередования фаз (аbс) принимаем за положительное (первый квадрант), а
при обратном порядке чередования фаз (acb) — за отрицательное
(третий квадрант). Во втором и четвертом квадрантах представлены характеристики
тормозных режимов.

Двигательный режим

Двигательный режим характеризуется изменением частоты вращения
электродвигателя от нуля (точка пуска) до W1
(точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока)
от Мпуск (Iпуск)
до нуля.

Устойчивый режим работы обеспечивается частью механической
характеристики АД лежащей в диапазоне изменения скольжения от нуля до skp.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя строят в
функции полезной мощности электродвигателя Р2.

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей
энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или
другой причины угловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит
синхронную частоту W1. В генераторном режиме скольжение s

Динамическое торможение

Режим динамического торможения применяется для быстрой
остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется
следующим образом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна
фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последовательно,
подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное
в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной
момент и двигатель останавливается.

Торможение противовключением

Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся
двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению
направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в
противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s>l. Двигатель потребляет из сети активную
мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора.
Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю.
Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда s=1, фазы обмотки статора не будут
отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному
направлению вращения и произойдет реверс двигателя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector