Механическая характеристика асинхронного двигателя

Механическая характеристика асинхронного двигателя Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на

Расчет и построение механических характеристик асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря простоте своей конструкции и высокой надежности.

При подаче на обмотки статора напряжений, сдвинутых по фазе ни 120°, по обмоткам протекают токи, создается круговое вращающее магнит­ное поле, пересекающее обмотки ротора и наводящее в них ЭДС.

Так как об­мотка ротора имеет замкнутую электрическую цепь, в ней под действием ЭДС возникает ток. При взаимодействии роторных токов с вращающимся магнитным полем статора создается вращающий электромагнитный момент на валу электродвигателя. Под действием этого момента ротор вращается и сторону вращающегося магнитного поля статора, причем частота вращения ротора двигателя всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Частота вращения магнитного поля находится в строгой зависимости и от частоты f1подводимого напряжения сети и числа пар полюсов pдвигателя:

image100.gif(4.1)

где f1 – частота питающей сети;

p — число пар полюсов.

Одним из показателей, характеризующих работу асинхронного двига­теля, является скольжение ротора, под которым понимается отношение

image102.gif(4.2)

где n1 — частота вращения магнитного поля статора;

n2 — частота вращения ротора электродвигателя;

w1 – угловая скорость магнитного поля статора;

w2 — угловая скорость ротора электродвигателя.

При выводе уравнения механической характеристики асинхронного двигателя необходимо обратиться к упрощенной схеме замещения (см. рис. 4.1).

image104.jpg

Рисунок 4.1 – Упрощенная схема замещения асинхронного электродвигателя

В соответствии с приведенной схемой находим выражение для при­веденного вторичного тока:

image106.gif, (4.3)

где R1, R2 ’ — соответственно первичное и вторичное приведенные активные сопротивления;

R , X — активное и реактивное сопротивление контура намагничивания;

X1, X2 ’ -первичное и вторичное приведенное сопротивление рассеяния;

S — скольжение двигателя.

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определен из выражения потерь:

image108.gif(4.4)

image110.gif(4.5)

Подставляя значение I2в (4.5), получаем уравнение механической характеристики асинхронного двигателя:

image112.gif(4.6)

Из выражения (4.6) видно, что угловую скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением напряжения на зажимах двигателя, введением добавочного сопротивления в цепь статора или ротора, а если обратиться к выражению (4.1), то становятся очевидными еще два способа регулирования угловой скорости, а именно: изменением числа пар полюсов и изменением частоты питающей сети.

Использование уравнения (4.6) для практических расчетов весьма за­труднительно, поэтому в практических расчетах пользуются формулой Клосса:

image114.gif(4.7)

или общей формулой

image116.gif(4.8)

где Мкр — максимальный (критический) момент двигателя, Н*м;

Sкр — скольжение, соответствующее максимальному моменту;

q — параметр, зависящий от конструктивных особенностей.

Максимальный (критический) момент двигателя Мкр определяется по номинальному моменту двигателя Мн и его перегрузочной способности :

image118.gif(4.9)

Значение критического скольжения Sкр с достаточной степенью точ­ности может быть определено по соотношению

image120.gif, (4.10)

где — номинальное скольжение;

— кратность критического момента.

Параметр q рассчитывается по соотношению

image122.gif(4.11)

image124.gif(4.12)

где mп — кратность пускового момента.

Характерными точками механической характеристики асинхронного электродвигателя являются:

точка пуска с координатами w = 0; М = Мн;

точ­ка провала на пусковой ветви, угловая скорость, в которой w соответствует скольжению S = 0,8, М = Ммин;

критическая точка с координатами wкр и М = Мкр;

точка холостого хода, в ко­торой w = w1; М = 0 (см. рис. 4.2).

Участок механической характеристики в интервале угловых скоростей от w = w1 до w = wкр называется рабочей частью характеристики. В интер­вале угловых скоростей от w = wкр до w = 0 находится пусковой участок ме­ханической характеристики.

image126.jpg

Рисунок 4.2 – Механическая характеристика асинхронного двигателя

image127.gifПример 4

Рассчитать и построить механическую характеристику асинхронного двигателя типа АИР56А2. Паспортные данные: Рн=0,18кВт; nн=2730 об/мин; hн=0,68; cos j = 0,78; image129.gif; image131.gif.

Решение

image133.gifоб/мин; image135.gif;

image137.gif;

image139.gif; image141.gif;

image143.gif; image145.gif;

image147.gif;

image149.gif

Результаты расчетов механической характеристики по общей формуле Клосса сводим в таблицу 4.1. По полученным данным строим зависимости М=f(w) и М=f(S) (см. рис. 4.3).

Таблица 4.1 – Результаты расчетов механической характеристики асинхронного двигателя типа АИР56А2

Характерные точки Холостого хода Номинальная Критическая Пусковая
S 0,05 0,09 0,2 0,37 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0
n, об/мин
w,с -1 299,25 286,65 198,45 157,5
Мдв , Н×м 0,366 0,628 1,154 1,38 1,376 1,319 1,233 1,051 0,898

image151.gif

image153.gif

Рис. 4.3 – Механические характеристики асинхронного двигателя

Асинхронные электродвигатели с совре­менными способами регулирования скорости вращения не уступают элек­тродвигателям постоянного тока. Основными способами регулирования яв­ляются: включение сопротивления в цепь ротора (только для двигателей с фазным ротором); изменение числа пар полюсов или изменение частоты пи­тающего тока, изменение величины подводимого напряжения. Применяют также электромагнитные муфты скольжения.

Регулирование переключением числа пар полюсов применяют для многоскоростных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Недос­татком является ступенчатое регулирование скорости.

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 3281 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

7.1. Принцип действия асинхронного двигателя

Двигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели (АД) в свою очередь делятся на двух и трехфазные, из которых в качестве исполнительных двигателей в системах автоматического управления в основном применяются маломощные двигатели до 300 Вт.

Их преимущества перед ДПТ: малая инерционность, бесконтактность, дешевизна.

Их недостатки в сравнении с ДПТ: большие тепловые потери, малый пусковой момент, нелинейные характеристики.

Принцип действия рассмотрим на примере двухфазного асинхронного двигателя, с полым ротором в виде алюминиевого стакана. На статоре этого двигателя расположены две обмотки. Эти обмотки расположены на магнитопроводе под углом 900 друг к другу. На эти обмотки подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 900 друг к другу. Под действием этих напряжений в обмотках протекают токи I1, I2, также синусоидальные и сдвинутые по фазе на 900. Будем считать, что амплитуды их равны. Эти токи, в свою очередь, создают в магнитопроводе два пульсирующих вектора магнитной индукции и, соответственно два магнитных потока, равных по амплитуде и сдвинутые по фазе на 900 друг к другу в пространстве и времени. Они суммируются, и создается результирующий магнитный поток, имеющий постоянную амплитуду и вращающийся по окружности с частотой w, где w=2p¦, а ¦частота сети.

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы (рис. 70).

Рис. 70. Двухфазная система

Рис. 70. Двухфазная система

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы ВА и ВВ, характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 900, то ВА= Вmsin(wt) и ВВ= Вmsin(wt-900).

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции Вна оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

image183.png

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 70 равенimage184.png,

при этом для тангенса угла a , образованного этим вектором с осью абсцисс, можно записать

image185.png, откуда a=wt.

Полученные соотношения показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой image186.png, описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Симметричная трехфазная система катушек также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле. Рис. 71. Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Катушки питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 1200. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

image187.png; image188.png; image189.png.

Произведя аналогичные расчеты, получим, что модуль результирующего вектора магнитной индукции равен В=1,5 Вm, и также вращается в пространстве с постоянной угловой частотой image186.png,

Рис. 71. Трехфазная система

Рис. 71. Трехфазная система

Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают ротор двигателя, выполненный, например, в виде алюминиевого стакана. В материале ротора наводятся вихревые токи, которые взаимодействуют с вращающимся магнитным потоком статоре и создают движущий момент. Под действием этого момента ротор начинает раскручиваться и набирает скорость до тех пор, пока движущий момент не будет уравновешен моментом, создаваемым нагрузкой.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля, так как в случае их равенства результирующий магнитный поток будет неподвижен относительно ротора, вихревых токов не будет, и, следовательно, не будет движущего момента. Поэтому двигатель называется асинхронным. Величина отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля характеризуется скольжением.

При заторможенном роторе S=1, в идеальном случае при вращении со скоростью поля S=0.

Используются различные конструкции ротора АД. Есть трехфазные АД с фазным ротором, при этом на роторе также намотаны три, пространственно сдвинутых обмотки. В эти обмотки обычно включают внешние сопротивления (реостаты), которыми ограничивается пусковой ток и может регулироваться скорость вращения ротора. Двухфазные АД изготавливают с короткозамкнутой обмоткой: в виде беличьего колеса; в виде вала или стакана из проводящего материала. .Рис 72, 73, 74.

Рис. 72. Трехфазный АД с фазным ротором

Рис. 72. Трехфазный АД с фазным ротором

Рис. 73. Ротор АД в виде беличьей клетки (а) и в виде стакана (б)

Рис. 73. Ротор АД в виде беличьей клетки (а) и в виде стакана (б)

Механические характеристики асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Механическая характеристика асинхронного двигателя, электромеханическая и другие содержат информацию, без которой невозможна его правильная эксплуатация.

Эта конструкция достаточно широко применяется в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Без них немыслима работа станков, транспортеров, подъемно-транспортных машин. Двигатели, обладающие небольшой мощностью, широко используются в автоматике.

Устройство асинхронной машины

ystrojstvo-asinhronnogo-dvigatelya-300x242.jpg

Схематичное устройство асинхронной машины

Классическая асинхронная машина состоит из 2 основных частей: ротора (подвижной) и статора (неподвижной). Три отдельные фазы составляют обмотку статора. С1, С2 и С3 — обозначения начала фаз. С3, С4 и С5 — соответственно концы фаз. Все они подсоединены к клеммному разъему по схеме звезда или треугольник, что показано на рисунках а, б, в. Схему выбирают учитывая паспортные данные двигателя и сетевое напряжение.

Статор создает внутри электродвигателя магнитное поле, которое постоянно вращается.

Ротор различают короткозамкнутый и фазный.

В короткозамкнутом скорость вращения не регулируется. Конструкция с ним проще и дешевле. Однако пусковой момент у него слишком мал по сравнению с машинами, у которых фазный ротор. Здесь скорость вращения регулируется за счет возможности ввода дополнительного сопротивления.

Принцип работы асинхронной машины

Подавая напряжение на обмотку статора, по каждой фазе можно наблюдать изменяющиеся магнитные потоки, которые по отношению друг к другу смещены на 120 градусов. Общий результирующий поток получается вращающимся и создает ЭДС внутри проводников ротора.

Там появляется ток, который во взаимодействии с результирующим потоком создает пусковой момент. Это приводит к вращению ротора.

Возникает скольжение S, т. е. разность между частотой вращения самого ротора n2 и частотой магнитного поля статора n1. Первоначально оно равно 1. Впоследствии частота возрастает, разность n1 – n2 уменьшается. Это ведет к уменьшению вращающего момента.

На холостом ходу скольжение минимально. Оно достигает критического значения Sкр, когда увеличивается статический момент. Превышение Sкр ведет к нестабильной работе машины.

Механическая характеристика

Как основная, помогает проводить детальный анализ работы электродвигателя. Она выражает непосредственную зависимость частоты вращения самого ротора от электромагнитного момента n=f (M).

Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Существуют технические способы расчетов и построения механической характеристики с учетом данных паспорта.

В первоначальной точке 1 n0=60f/p (p – количество пар полюсов). Поскольку nн и Mн непосредственно координаты точки 2, расчет номинального момента производится по формуле Mн=9,55*Рн/ nн, где Рн — номинальная мощность. Значение nн указано в паспорте двигателя. В точке 3 Mкр=Mнλ. Пусковой момент в точке 4 Mпуск=Mн*λпуск (значения λ, λпуск — из паспорта).

Механическая характеристика, построенная таким образом, называется естественной. Изменяя другие параметры можно получить искусственную механическую характеристику.

Полученные результаты дают возможность проанализировать и согласовать механические свойства самого двигателя и рабочего механизма.

Электромеханическая характеристика

Она являет собой зависимость угловой скорости вращения от тока статора. Используя несколько опорных точек можно построить электромеханическую характеристику. Номинальный ток рассчитывается по формуле:

formyla-rascheta-nominalnogo-toka.jpg

Ток холостого хода составляет 30—40% от номинального.

Формула расчета при критическом скольжении:

formyla-kriticheskogo-skolzheniya.jpg

Ток в начальный момент пуска:

formyla-toka-v-nachalnyj-moment-pyska.jpg

Все значения отражают электромеханическую характеристику.

Рабочие характеристики

grafik-rabochej-haraktestiki-300x294.jpgРабочие характеристики асинхронного электродвигателя — это взаимосвязь нескольких параметров от полезной мощности P2. В их число входят: частота вращения самого ротора n2, момент на валу М, скольжение S, ток статора I1, расходуемая мощность P, коэффициент мощности СОSφ и КПД.

Причем частота электрического тока и напряжение неизменны, в отличие от нагрузки.

Как правило, рабочие характеристики асинхронного двигателя строятся в диапазоне значений скольжения от 0 до значения, превышающего номинальное на 10%. Это зона, где машина работает устойчиво.

Частота вращения ротора n2 уменьшается при возрастании нагрузки на валу. Но эти изменения не превышают 5%. Ток I1 растет, поскольку при последующем увеличении нагрузки его активная составляющая превышает реактивную.

СОSφ при холостом ходе мал. Но затем он возрастает. При повышенных нагрузках СОSφ уменьшается из-за возрастающего внутри обмотки ротора реактивного сопротивления.

КПД холостого хода равен 0. С увеличением нагрузки наблюдается его резкий рост, а впоследствии, снижение.

Источник

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...