Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника
.pdf
71
Φ
Φ
−
В процессе работы контактные кольца скользят по неподвижному токосъемному устройству 4 – щеткам, чем обеспечивается электрическое соединение обмотки вращающегося ротора с резисторами (на рис.6.3 не показаны).
При подаче к трехфазной обмотке статора трехфазного напряжения, в
каждой фазе будет создаваться магнитный поток Φ, изменяющийся с час-
тотой f питающей сети. При этом магнитные потоки фаз оказываются
сдвинутыми относительно друг друга на угол 120° как во времени, так и в
пространстве. В теоретической части курса электротехники [3] сказано,
что возникающий при этом результирующий магнитный поток
вается вращающимся с частотой вращения
n
, называемой синхронной
1
оказы-
Р
частотой и равной:
f
60
1
, (об/мин) (6.1)
p
N-S.
где
n
=
1
f
– частота питающей сети (Гц);
1
p
– число пар магнитных полюсов
p = 1, 2, 3…
Частота вращения магнитного поля находится в строгой зависимости
от частоты
При частоте
f
и числа пар магнитных полюсов p.
1
f = 50
Гц синхронная частота будет
p = 1 n1 = 3000 об/мин;
p = 2 n1 = 1500 об/мин;
p = 3 n1 = 1000 об/мин.
Магнитный поток
мотки, наводит в ней ЭДС
, пересекая витки неподвижной роторной об-
Р
Е
, по обмотке ротора протекает ток
2
I
. Этот ток,
2
взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает электромагнитный момент М, который, превышая тормозной момент на валу, начинает разгонять ротор в ту же сторону, что и вращающееся магнитное поле.
По мере возрастания частоты вращения
ность частот
nn
сокращается, вследствие чего уменьшаются величины
21
n
ротора относительная раз-
2
ЭДС и тока в проводниках ротора, что влечёт за собой соответствующее
изменение вращающего момента.
Процессы изменения ЭДС, тока, момента и частоты вращения прекратятся, как только наступит устойчивое равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора, и тормозным моментом
(моментом сопротивления), создаваемым производственным механизмом,
который приводится в движение электродвигателем. При этом ротор будет
вращаться с постоянной частотой
n
, а в короткозамкнутых контурах его
2
обмотки установятся токи, обеспечивающие создание вращающего момента, равного тормозному.
72
−
−
−
=
=
(
)
−
=
0
1
>
≥
S
Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на
взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Очевидно, что возникновение токов в роторе и создание вращающего момента возможны лишь при
движении ротора относительно магнитного поля статора, т.е. при наличии
разности частот вращения магнитного поля статора
nn
должно быть больше нуля.
21
n
и ротора
1
n
2
, т.е.
Для примера определим, что бы произошло, если бы частота вращения ротора
n
.
1
n
2
Магнитное поле статора и ротор будут в этом случае неподвижны относительно друг друга. Силовые линии магнитного поля статора не будут
пересекать обмотку ротора, следовательно, в ней не будет наводиться
ЭДС, не появится ток, не будет и момента.
Ротор несколько притормозится, но, как только возникнет разность
частот вращения
nn
, вновь в обмотке ротора наведётся ЭДС, появится
21
ток и возникнет электромагнитный момент.
Таким образом, ротор вращаться с синхронной частотой
венных условиях не может, частота вращения ротора двигателя
меньше частоты вращения
название машины:
асинхронный двигатель
магнитного поля статора. С этим связано и
n
1
.
n
в естест-
1
всегда
n
2
Для изменения направления вращения ротора (реверс) необходимо
изменить направление вращения магнитного поля статора, то есть изменить порядок чередования фаз обмоток статора путем переключения любых двух из трех проводов, питающих двигатель от трехфазной системы
напряжений.
Одним из важнейших показателей, характеризующих работу А.Д., является скольжение ротора
nn
S
=
При пуске А.Д. частота вращения ротора 1,0
21
, (6.2)
n
1
Sn
2
, а при холостом
ходе частота вращения ротора
несколько меньше
n
2
n
, скольжение S не-
1
сколько больше нуля.
Выражение (6.2) часто записывают следующим образом:
Snn
1
12
. (6.3)
Следовательно, режим двигателя характеризуется скольжением, изменяющимся в пределах
Номинальное скольжение
ного исполнения
SH 1-3 %.
.
S
современных машин общепромышлен-
H
Например, при
= 3000 об/мин и S = 1 % ро-
n
1
73
Φ
=
(
)
=
Φ
=
60
(
)
60
−
⋅
−
(
)
−
−
⋅
Φ
=
=
=
тор будет вращаться с частотой всего на 30 об/мин меньше, чем
(
n
1
=
n
2
2970 об/мин).
Трехфазный асинхронный электродвигатель можно представить в виде трехфазного трансформатора, у которого первичная обмотка – статорная Wc, а вторичная – роторная Wp.
Кроме преобразования напряжения асинхронный электродвигатель в
отличие от трансформатора обладает следующими особенностями:
•
наличием воздушного промежутка между статорной и роторной
обмотками;
•
ток в роторной обмотке зависит от режима работы двигателя, и
частота тока
f
изменяется в широком диапазоне.
2
Вращающееся магнитное поле индуцирует ЭДС в статорной и роторной обмотках. Тогда, по аналогии с трансформатором ЭДС в обмотке статора
44,4 , (6.4)
KWfE
m
0111
где K0 – обмоточный коэффициент, учитывающий падение ЭДС
вследствие распределённого исполнения обмотки (величина
табличная, обычно колеблется в пределах 0,92…0,97).
В заторможенной (неподвижной) роторной обмотке
0
n
2
ЭДС
можно определить также по аналогии с трансформатором:
KWfE
mH
0212
где
44,4 , (6.5)
E
– ЭДС неподвижной обмотки ротора;
H
2
pn
f =
1
1
– частота тока в обмотке статора.
Если ротор вращается, то частота ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, зависит от его скорости по отношению к скорости вращения поля,
т.е.
nnp
21
, (6.6)
где
f
=
2
nn
– число оборотов ротора по отношению к числу оборотов
21
поля.
Это выражение можно умножить и разделить на
nnnp
121
n
SEE
. (6.9)
6060
1
KWfE
m
0222
где
E
2
но с учётом
f ⋅=
=
2
44,4 , (6.8)
– ЭДС обмотки движущегося ротора;
Sff
, получим
12
H22
−=⋅
n
и получить
1
nnpn
211
n
1
fS
, (6.7)
1
Роторная обмотка имеет сопротивление:
•
R
– активное;
2
74
⋅
=
ω
ωωω
=
=
⋅=⋅
=
πωπ
ω
⋅
1
=
S
•
Поскольку
LX
– рассеяния (индуктивное).
222
,
SLXS
, где
21212
2,2
ff
.
2211
Так в роторной обмотке
E
I+=
2
2
2
2
.
2
XR
2
(6.10)
Обычно ток в роторной обмотке определяют из соотношения
SE
2
I
=
2
2
+
2
H
( )
SKR
ω
21
.
2
(6.11)
Максимальный ток устанавливается при пуске двигателя, т.е. при
. При разгоне ротора ток уменьшается.
6.2.2. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя
Аналитические исследования асинхронных машин очень затруднены,
так как между обмотками статора и ротора существует только магнитная
связь, а ЭДС и токи в обмотках имеют различные частоты из-за наличия
асинхронности. Удобно исследовать асинхронные машины с помощью
схемы замещения фазы асинхронной машины.
Асинхронный двигатель состоит из трёх симметричных фаз, поэтому
достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 6.4).
На рисунке:
R1, X
– соответственно, активное и индуктивное сопротивление об-
1
мотки статора;
R0, X
– активное и индуктивное сопротивление намагничивающего
0
контура (воздушного промежутка);
I1
~ U1ф
R1
E1
X 1
R0
I10
I'2
R'2
X 0
Рис
X'2
R'2 (1 - S)
S
E'2 S
. 6.4
75
(
)
S
−
(
)
S
−
ϕ
=
ω
⋅
=
ω
ω
=
(
)
ω
ω
−=−
(
)
⋅⋅=
−
ωωω
R’2, X’
– приведённое активное и индуктивное сопротивление обмот-
2
ки ротора;
U1Ф, I
I
10
I’
E
E’
– напряжение и ток обмотки статора;
1
– ток холостого хода в статорной обмотке;
– приведённое значение тока в роторной обмотке;
2
– ЭДС самоиндукции в статорной обмотке;
1
– приведённое значение ЭДС индукции роторной обмотки;
2S
SR
1
2
– активное сопротивление, обусловленное скольжением в
асинхронном двигателе.
На этом сопротивлении выделяется активная мощность
равна механической мощности
MEX
P
на валу двигателя:
MEX
2
( )
IPP
'3
22
2
⋅==
SR
'1'
, (кВт)
P
, которая
2
(6.12)
6.2.3. Электромагнитный момент. Механическая характеристика
В статор асинхронного двигателя поступает из сети мощность
cos
IUmP
,
11111
(6.13)
где
m
– количество фаз обмотки статора.
1
Часть этой мощности теряется в статоре (электрические и магнитные
потери статора). В ротор поступает электромагнитная мощность
ЭМ
MP
,
1
(6.14)
где M – электромагнитный или вращающий момент асинхронного
двигателя;
– угловая частота вращения электромагнитного поля.
1
Если учесть потери мощности в роторе, то механическую мощность
можно определить по формуле
MP
.
MEX
2
(6.15)
Электромагнитная мощность больше механической на величину потерь в роторе. Поскольку магнитные потери в роторе приближаются к нулю, можно записать
MEXЭМ
MPP
121
;
21
SMM
;
76
ψ
Φ
=
ψ
Φ
=
ψ
(
)
=
=
=
=
2
RImSM ⋅⋅=⋅⋅
;
2
221
где
ω
2
RIm
2
ω
22
,
S
1
M
=
m
– число фаз обмотки ротора;
2
I
– ток ротора;
2
R
– активное сопротивление ротора.
2
Потери в роторе можно определить с помощью ЭДС и тока обмотки
ротора:
2
22
cos
IEmSMRIm ==
ψω
,
222212
(6.16)
где
– сдвиг фазы между ЭДС и током.
2
Из приведённого соотношения (6.16) следует, что электромагнитный
момент М пропорционален активному сопротивлению ротора. Поэтому
для увеличения момента двигателя с фазным ротором включают в роторную обмотку дополнительное активное сопротивление
R
.
Д
Из уравнения
44,4 можно определить электромаг-
KSWfE
m
0212
нитный момент
M
44,4
ω
SKWfm
0212
Φ=
S
1
cos
I
m
ψ
.
22
Величина
C =
44,4
ω
KWfm
0212
1
(6.17)
называется
постоянной машины
и зависит только от конструктивных особенностей машины. Поэтому окончательное выражение электромагнитного момента имеет вид
cos
ICM
m
.
22
(6.18)
Электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален
магнитному потоку и току ротора. Следует учитывать, что
X
R
2
.
2
arctg=
2
Механическая характеристика
Механической характеристикой двигателя
частоты вращения ротора
Mfn
2
.
n
от момента нагрузки на валу (М), т.е.
2
называется зависимость
Механическая характеристика снимается при следующих условиях:
constU
Φ1
,
constf
1
,
constR
Д
(рис. 6.5).
77
2
)мH
(
⋅
Н
2
с
искуств.
а
=
1
=
S
=
=
(
)
=
(
)
=
(
)
=
÷
=
(
)
>
(
)
=
)мин/об(n
естеств.
d
Rд = 0
Мн=Мс
b
n
Rд > 0
0
На рис.6.5 точками
a, b, c, d
асинхронного двигателя (А.Д.).
Пуск двигателя начинается с точки «a» – точки пускового режима,
при этом частота вращения 0
будет равен пусковому
частота вращения ротора увеличивается, и двигатель переходит в точку
«b».
Точка «b» – точка «критического» режима, при этом частота враще-
ния
, скольжение равняется критическому
KPnn22
скольжение пропорционально активному сопротивлению ротора. В критическом режиме двигатель развивает максимальный (критический) момент
M
.
KP
Участок
a-b
механической характеристики является участком неус-
тойчивого режима асинхронного двигателя.
Под воздействием динамического момента нагрузки частота вращения
n
увеличивается, а момент двигателя уменьшается, и двигатель переходит
2
в точку «c».
Точка «c» – точка номинального (устойчивого) режима, при котором
момент двигателя равен моменту сопротивления механизма
частота вращения ротора
этом скольжение равно номинальному
S
H
08,005,0
.
Если двигатель запускается с нагрузкой на валу двигателя
то на этом процесс пуска заканчивается, и двигатель устойчиво работает в
точке «c» – номинальном режиме.
Если двигатель пускается вхолостую
дит в точку «d» (для «идеального» холостого хода).
d
Точка «
» – точка режима идеального холостого хода асинхронного
двигателя. При этом частота вращения ротора
Мп
Рис
Мкр
. 6.5
М
отмечены характерные режимы работы
n
n
равняется номинальной
2
, скольжение
2
MM
. По мере разгона двигателя, момент и
ПДВ
M
C
приблизительно равняет-
n
2
, момент двигателя
S
. Критическое
K
nn
HOM
22
SS
HOM
0
, то двигатель перехо-
и составляет
M
C
MM
CH
, при
0
,
,
78
(
)
≈
(
)
≈
(
)
=
===
(
)
>
(
)
=
var
p
=
varS=
ся синхронной
гателя
(6.19)
ки,
работы асинхронного двигателя
снимается при следующих условиях
же изменяется один из вышеприведенных параметров
R .
Д
M
ДВ
Момент двигателя М может быть выражен следующим образом:
Отрезок
имеет линейную зависимость и является участком устойчивого режима
Механическая характеристика называется естественной, если она
У двигателя может быть лишь одна естественная характеристика, если
0
.
0
dc
называется
, а скольжение близко к нулю
nn
12
M
2
=
M
рабочей частью механической характеристи-
KP
S
+
S
K
.
,
S
K
S
: 0,,
Φ ДCC
0
S
11
, момент дви-
RffUU .
–
искусственной
6.2.4. Способы регулирования частоты вращения асинхронного
двигателя
Асинхронный двигатель является основным приводом производст
венных механизмов
далее, чья производительность зависит от частоты вращения рабочего ор
гана, поэтому при изменении частоты вращения ротора асинхронного дви
гателя соответственно меняется производительность этих механизмов
Частота вращения ротора
–
таких, как насосы, вентиляторы, компрессоры и так
2n с
учётом
(6.1), (6.2)
равна
.
-
-
-
(6.20)
Из анализа
ты вращения
1.
Изменением частоты
мотке статора
2.
Изменением числа пар магнитных полюсов статорной обмотки
3.
Только для двигателей с фазным ротором
жения
роторную обмотку
4.
Изменением подводимого напряжения к обмотке статора
:
(6.20)
S за
Sf
160
1
p
1f и
1
, (об/
напряжения
varf
мин
.
.
.
)
Φ1U ,
подводимых к об
–
изменением сколь
ДR в
n−=
2
следуют следующие способы регулирования часто
счет включения дополнительных резисторов
-
-
-
79
=
÷
=
2
)мH
(
⋅
0
Н
2
1
2
>
>
>
>
varU
Ф=1
Рассмотрим первый способ регулирования
var
f .
1
При этом способе
между источником и асинхронным двигателем включается дополнитель
ное устройство
жение
3800
U В и
1
Ф
мотке, тем самым изменяя частоту вращения ротора
асинхронного двигателя показана на рис
–
преобразователь частоты (ПЧ
частоту
5÷100 Гц,
6.6.
),
который изменяет напря
подводимую к статорной об
n2.
Схема включения
-
-
-
A(L1)
B(L2)
С(L3)
Uc, f c
ПЧ
Рис
. 6.6
U1, f 1
A.Д.
Механические характеристики при этом способе регулирования пока
заны на рис
6.7.
)мин/об(n
с
с’
n
с’’
Uc fc
U1, f
-
Мн=Мс
Рис
. 6.7
На рис
Достоинства этого способа
. 6.7:
точка
C
«с» –
UUU
точка номинального режима
,
21
C
:
•
широкий диапазон регулирования
•
плавность регулирования
•
экономия до
40%
потребляемой электроэнергии по сравнению с
;
fff
традиционными способами регулирования
Недостатки
:
U2, f
М
;
.
21
;
.
var=p
2
)мH
(
⋅
1500
•
требуется дополнительное устройство
Область применения
• в
электроприводах насосов, вентиляторов, где требуется большой
диапазон регулирования
Второй способ
80
– ПЧ.
:
.
применим только для специальных двигателей
,
чья статорная обмотка выполнена в виде отдельных секций
.
Изменяя схему соединения секций с помощью дополнительного уст
ройства, изменяем число пар полюсов, соответственно изменяется и часто
та вращения ротора
лены на рис
. 6.8.
W'c
W''c
n2.
A (L1)
Схемы переключения числа пар полюсов представ
B (L2)
~
p = 2
С (L2)
~
Рис
. 6.8
A (L1)
W'c
W''c
B (L2)
~
~
p = 1
С (L2)
Механические характеристики при этом способе регулирования пока
заны на рис
6.9.
-
-
-
-
)мин/об(n
3000
с
p = 1
c'
p = 2
0
Мн=Мс
Рис
. 6.9
На рис
Достоинства
Недостатки
. 6.9:
точка
«с» –
точка номинального (устойчивого) режима
:
•
простота реализации этого способа регулирования
:
•
ступенчатое изменение частоты вращения
М
.
.
n2;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]