Режим двигателя

Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую. Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n₀ в указанном направлении (рис. 5.9). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС.

В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 5.9) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n.

Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля.

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля.

Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.

31Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина переменного тока в двигательном режиме, у которой частота вращения магнитного поля статора больше чем частота вращения ротора.

Принцип работы берет основу из создания вращающегося магнитного поля статора, о чем подробнее вы можете почитать из указанной ссылки.

Асинхронные двигатели – одни из самых распространённых электрическим машин, и зачастую являются одним из основных преобразователей электрической энергии в механическую энергию. Самым большим достоинством является отсутствие контакта между подвижными и подвижными частями ротора, я имею ввиду электрический контакт, к примеру, в двигателях постоянного тока через щетки и коллектор. Однако это справедливо только к АД с короткозамкнутым ротором, в асинхронных двигателях с фазным ротором, этот контакт имеет место, но об этом чуть позже.

Конструкция асинхронного двигателя.

Рассмотрим конструкцию, примером послужит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, но так же существует фазный тип ротора. Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора между которыми воздушный зазор. Статор и ротор в свою очередь еще имеют так называемые активные части – обмотка возбуждения (отдельно статорная и отдельно роторная) и магнитопровод (сердечник). Все остальные детали АД, такие как: вал, подшипники, вентилятор, корпус, и т.п. – чисто конструктивные детали, обеспечивающие защиту от окружающей среды, прочность, охлаждение, возможность совершать вращение. Статор представляет собой трёх (или много)-фазную обмотку, проводники которой равномерно уложены в пазах по всей окружности, с угловым расстоянием в 120 эл. градусов. Концы обмотки статора обычно соединяют по схемам «звезда» или «треугольник», и подключаются к сети питающего напряжения. Магнитопровод выполняется из электротехнической шихтованной (набрано из тонких листов) стали.

Как я уже сказал ранее, в асинхронном двигателе существует всего 2 типа роторов: это фазный тип ротора, и короткозамкнутый. Магнитопровод ротора также выполнен из шихтованной электротехнической стали. Короткозамкнутый ротор имеет вид так называемой «беличьей клетки» из-за схожести своей конструкции на эту клетку. Состоит эта клетка из медных стержней, которые накоротко замкнуты кольцами. Стержни непосредственно вставлены в пазы сердечника ротора. Для улучшения пусковых характеристики АД с таким типом ротора, применяют специальную форму паза, это дает возможность использования эффекта вытеснения тока, что влияет на увеличение активного сопротивления роторной обмотки при пуске (больших скольжения). Сами по себе, АД с короткозамкнутым ротором имеют малый пусковой момент, что пагубно сказывается на области их использования. Наибольшее распространение они нашли в системах которые не требуют больших пусковых моментов. Однако, данный тип ротора отличается тем, что на его обслуживание тратится меньше средств чем на обслуживание двигателя с фазным ротором, вследствие отсутствия физического контакта в типе ротора беличья клетка. Фазный ротор состоит из трёхфазной обмотки, зачастую соединенной по схеме «звезда», и выведенную на контактные кольца, которые вращаются вместе с валом. Щетки выполнены из графита. Фазный ротор дает много преимуществ, таких как пуск звезда-треугольник, регулирование частоты вращения изменением сопротивления ротора.

Режимы работы

Подробнее рассмотреть механическую характеристику в моей ранней статье, а так же способы пуска с реверсом.

К тормозным режимам стоит отнести несколько основных:

– торможение противовключением;

– торможение однофазным переменным током и конденсаторное торможение;

– динамическое торможение.

Асинхронный двигатель имеет низкую стоимость, надёжен, и очень дешевый в обслуживании, особенно если он выполнен с короткозамкнутым ротором.

32. Электродвигатели переменного тока, использующие для своей работы вращающееся магнитное поле статора, являются в настоящее время весьма распространенными электрическими машинами. Те из них, у которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора, называются асинхронными двигателями.

Очень широко применяются в различных отраслях хозяйства и производства линейные асинхронные двигатели в силу простоты их изготовления и высокой надежности. Между тем, можно выделить четыре основных типа асинхронных двигателей:

· однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

· двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

· трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

· трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.

· При пуске вначале включается выключатель Q 1. Пуск АД осуществляется в режиме ограничения тока статора за счет пускового реактора LR или пускового резистора R. После уменьшения пускового тока в процессе разгона двигателя включается выключатель Q 2.

· Торможение АД с короткозамкнутым ротором осуществляют в режиме свободного выбега (отключения от сети и остановки под действием момента сопротивления холостого хода) или в режиме динамического торможения. Режим динамического торможения реализуют либо подключением двух фаз АД к сети постоянного тока (с возбуждением постоянным током), либо подключением статора АД к батарее конденсаторов, включенных в звезду или треугольник (в режиме самовозбуждения двигателя). Недостатком второго способа торможения является возникновение тормозного эффекта внутри достаточно узкого диапазона скоростей и необходимость в использовании конденсаторов большой емкости. Достоинство этого способа – реализация режима компенсации реактивной мощности питающей сети в процессе динамического торможения.

· Реверс АД осуществляют в режиме динамического торможения до нулевой скорости или, что чаще, с использованием режима противовключения.

33 Рабочими характеристиками называют графические зависи­мости частоты вращения п ₂ (или скольжения s),момента на валу М ₂, тока статора I ₁, коэффициента полезного действия η и cos φ₁от полезной мощности Р ₂ при U ₁ = const и f ₁ = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рис. 4.25. Частота вращения, ток статора, момент на валу, потребляемая и полезная мощности приведены на графике в относительных единицах. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. до скольжения (1,1 ÷ l,2) s _ном. Частота вращения ротора. При переходе от режима холостото хода к режиму полной нагрузки частота вращения n₂ изменяется незначительно, так как при проектировании двигателей для уменьшения потерь мощности в роторе Δ Р _эл2 необходимо, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02—0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

Характеристики n₂ = f(P₂) и n₂ = f(М) можно построить по круговой диаграмме. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им значения полезной мощности, электромагнитного момента и скольжения. При расчетах, не требующих большой точности, полезную мощность Р ₂ принимают равной Р _мех (пренебрегая потерями мощности Δ Р _т ), т. е. считают, что она пропорциональна отрезку AM круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Более точно ее определяют путем построения на круговой диаграмме специальной линии полезной мощности О"К (см. рис. 4.18,6), которую получают, соединяя точку О " реального холостого хода с точкой К (в режимах, соответствующих точкам О и К, мощность Р ₂ = 0). В этом случае величина Р ₂пропорциональна отрезку AM, заключенному между окружностью токов и линией 0"К.

34Вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий момент зависит как от магнитного потока статора Φ, так и от силы тока в обмотке ротора I ₂. Однако в создании вращающего момента участвует только активная мощность, потребляемая машиной из сети. Вследствие этого вращающий момент зависит не от силы тока в обмотке ротора I ₂, а только от его активной составляющей, т. е. I ₂ cos φ ₂, где φ ₂ — фазный угол между э. д. с. и током в обмотке ротора.
Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя определяется следующим выражением:

M = C Φ I φ ₂cos φ₂, где С — конструктивная постоянная машины, зависящая от числа ее полюсов и фаз, числа витков обмотки статора, конструктивного выполнения обмотки и принятой системы единиц.
При условии постоянства приложенного напряжения и изменении нагрузки двигателя магнитный поток остается также почти постоянным. Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f (M). Эту характеристику (рис. 2.15) можно получить, используя зависимость M = f (S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Рис. 2.15

Так как S =(n ₀− n)/ n ₀, отсюда n = n ₀(1− S). Напомним, что n ₀=(60 f)/ p – частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 – неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n ₀. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты M _н и n _н. Точка 3 соответствует критическому моменту M _кр и критической частоте вращения n _кр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя M _пуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1:

n ₀=(60 f)/ p,

где: p – число пар полюсов машины;
f – частота сети.

Точка 2 с координатами n _н и M _н. Номинальная частота вращения n _н задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

35 Регулирование частоты вращения двигателей определяется в соответствии с требованиями технологических процессов и тех производственных механизмов, в которых они используются. Оно характеризуется следующими основными показателями:

Диапазон регулирования Д (предел изменения частоты вращения). Под этой величиной понимается отношение максимальной частоты вращения двигателя п _макс к его минимальной частоте п _мин:

(52)

Д = п _макс / п _мин.

Плавность регулирования, которая характеризуется минимальным скачком частоты вращения двигателя при переходе с одной механической характеристики на другую.

Направление возможного изменения частоты вращения двигателя (зона регулирования). При номинальных условиях работы (напряжении и частоте питающей сети) двигатель имеет естественную механическую характеристику. При регулировании частоты вращения соответствующие им характеристики будут отличаться от естественной. Эти характеристики носят название искусственных. Таким образом, асинхронный двигатель помимо естественной может иметь множество искусственных (регулировочных) характеристик. С помощью одних методов регулирования удается получить искусственные характеристики, располагающиеся только ниже естественной. Другие методы обеспечивают регулирование частоты вращения выше и ниже естественной характеристики.

Экономичность регулирования определяется по дополнительным капитальным затратам, необходимым при создании регулировочных устройств, а также по потерям электроэнергии при регулировании.

Следует отметить, что в ряде случаев, например, для механизмов, работающих сравнительно малое время на искусственных характеристиках, потери электроэнергии даже при неэкономичных способах регулирования будут невелики (работа на низких доводочных скоростях лифтов, кранов и др.). При этом более рационально применение простых и дешевых способов регулирования частоты вращения двигателей, даже и неэкономичных с точки зрения потребления энергии.

36 Однофазные асинхронные двигатели широко применяются при небольших мощностях (до 1 — 2 квт). Такой двигатель отличается от обычного трехфазного двигателя тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Поэтому любой трехфазный асинхронный двигатель может быть использован в качестве однофазного. Ротор однофазного асинхронного двигателя может иметь фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его остается неподвижным.
Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.
Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому эти двигатели всегда снабжаются пусковым устройством.
Чтобы получить начальный вращающий момент, можно разместить на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на половину полюсного деления (90°). Эти обмотки должны быть присоединены к симметричной двухфазной сети, т. е. напряжения, приложенные к обмоткам катушек, должны быть равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе.
В этом случае токи, протекающие по катушкам, окажутся также сдвинутыми по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле. При наличии вращающегося магнитного поля двигатель развивает пусковой момент. Простейшую двухфазную обмотку можно представить в виде двух катушек (рис. 121), оси которых смещены в пространстве на 90°. Если по этим катушкам, имеющим одинаковое число витков, пропустить равные по величине и сдвинутые по фазе на четверть периода синусоидальные токи, т. е.

37 Синхронные электрические машины