В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных.
Механические характеристики электродвигателя представляют собой зависимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателя.
Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении сопротивления, изменении питающего напряжения, частоты и др.
Механические характеристики электродвигателей: 1 — абсолютно жесткая характеристика, 2 — жесткая характеристика, 3 — мягкая механическая характеристика
Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся.
Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя
Для примера рассмотрим АИР80В2У3.
Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя
На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.
Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.
Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.
Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.
Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.
Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.
Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя
Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.
- Q = √(S2 — P2)
- Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:
- Q = √(30462 — 26502) = 1502 ВАР
- Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.
- Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.
- Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя
Скорость вращательного движения на практике часто оценивается частотой вращения, то есть числом оборотов вала двигателя в минуту. Угловая скорость выражается в радианах в секунду (рад/с). Угловой скоростью удобнее пользоваться при выводе формул и проведении расчетов, частотой вращения — при практической оценке скоростных свойств двигателей.
На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.
Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду.
Но поскольку двигатель асинхронный, то появление в обмотке ротора ЭДС и вращающего момента возможно только при наличии разности между скоростями магнитного поля и ротора. Это различие называют скольжением (s). Ротор вращается с отставанием на величину скольжения.
- Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:
- s = ((n – n1)/n)*100%
- Для нашего примера s = ((3000 – 2870)/3000)*100% = 4,3%.
- Угловая скорость асинхронного двигателя
Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.
Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.
- Линейная скорость асинхронного электродвигателя
- Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:
- v = ωR
- Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя
- Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:
- P = ωМ
- Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:
- М = FR
- Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.
Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м.
- Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.
- Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.
- Андрей Повный
Механическая характеристика асинхронного двигателя
Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 — n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).
Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя
Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.
Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.
Пример расчета механической характеристики асинхронного двигателя
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosφн= 0,85, ηн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8.
Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.
Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети
P1н =Pн / ηн = 14 / 0,88 = 16 кВт.
Номинальный ток, потребляемый из сети
Число пар полюсов
p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3,
где n1 = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 960 об/мин.
Номинальное скольжение
sн = (n1 — nн) / n1 = (1000 — 960 ) / 1000 = 0,04
Номинальный момент на валу двигателя
Критический момент
Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н•м.
Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.
Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 — s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н•м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н•м.
Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим
По полученным данным строят механическую характеристику двигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.
Трехфазный асинхронный двигатель
Дмитрий Левкин
Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.
Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
- где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
- f1 – частота переменного тока, Гц,
- p – число пар полюсов
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени 
Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°) Вращающееся магнитное поле
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике.
В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике.
Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)
Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться.
На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля.
Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.
Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.
Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора
Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.
Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: конструкция, принцип работы
Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии.
В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека.
Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.
Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.
Конструкция
В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.
Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока.
Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой.
Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.
Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.
Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором
Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца.
В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия.
К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.
Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.
Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками
Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.
Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.
В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:
- однофазные;
- двухфазные;
- трёхфазные.
Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.
Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток.
Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся.
В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.
В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.
Принцип работы
Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.
Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:
n1 = (f1*60) / p, где n1 – синхронная частота, f1 – частота переменного тока, а p – количество пар полюсов.
В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем.
В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы.
Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.
Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: ns=n1–n2, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.
s = 100% * ( ns / n1) = 100% * (n1 — n2) / n1 , где ns – частота скольжения; n1, n2 – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.
С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.
Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.
Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.
Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.
Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.
Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.
Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения
При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала.
Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора.
Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.
Преимущества и недостатки
Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
- стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
- высокой надёжностью в эксплуатации;
- низкие эксплуатационные затраты;
- долговечностью функционирования без обслуживания;
- сравнительно высокими показателями КПД;
- невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.
Из недостатков можно отметить:
- высокие пусковые токи;
- чувствительность к перепадам напряжений;
- низкие коэффициенты скольжений;
- необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
- ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.
Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.
Основные технические характеристики
В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.
- В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:
- Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).
- Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.
- КПД от 66% до 83%.
Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.
Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.
Подключение
Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.
Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.
Схемы включения понятны из рисунка 4.
Рис. 4. Схемы подключения
Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.
Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть
С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.
Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим
Асинхронные двигатели (АД) – самый распространенный вид двигателей, т.к. они более просты и надежны в эксплуатации, при равной мощности имеют меньшую массу, габариты и стоимость в сравнении с ДПТ. Схемы включения АД приведены на рис. 2.14.
До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором применялись в нерегулируемых электроприводах.
Однако с появлением тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) напряжения, питающего статорные обмотки АД, двигатели с короткозамкнутым ротором начали использоваться в регулируемых электроприводах.
В настоящее время в преобразователях частоты применяются силовые транзисторы и программируемые контроллеры. Способ регулирования скорости получил название импульсного и его совершенствование является важнейшим направлением в развитии электропривода.
Рис. 2.14. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором;
б) схема включения АД с фазным ротором.
Уравнение для механической характеристики АД может быть получено на основании схемы замещения АД. Если в этой схеме пренебречь активным сопротивлением статора, то выражение для механической характеристики будет иметь вид:
где ; .
Здесь Мк – критический момент; Sк — соответствующее ему критическое скольжение; Uф – действующее значение фазного напряжения сети; ω0=2πf/p – угловая скорость вращающегося магнитного поля АД (синхронная скорость); f – частота питающего напряжения; p – число пар полюсов АД; хк – индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания (определяется из схемы замещения); S=(ω0-ω)/ω0 – скольжение (скорость ротора относительно скорости вращающегося поля); R21 – суммарное активное сопротивление фазы ротора.
Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором.
На ней можно выделить три характерные точки. Координаты первой точки (S=0; ω=ω0; М=0). Она соответствует режиму идеального холостого хода, когда скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля. Координаты второй точки (S=Sк; М=Мк). Двигатель работает с максимальным моментом.
При Мс>Мк ротор двигателя будет принудительно остановлен, что для двигателя является режимом короткого замыкания. Поэтому вращающий момент двигателя в этой точке и называется критическим Мк. Координаты третьей точки (S=1; ω=0; М=Мп). В этой точке двигатель работает в режиме пуска: скорость ротора ω=0 и на неподвижный ротор действует пусковой момент Мп.
Участок механической характеристики, расположенный между первой и второй характерными точками, называется рабочим участком. На нем двигатель работает в установившемся режиме. У АД с короткозамкнутым ротором при выполнении условий U=Uн и f=fн механическая характеристика называется естественной.
В этом случае на рабочем участке характеристики расположена точка, соответствующая номинальному режиму работы двигателя и имеющая координаты (Sн; ωн; Мн).
Электромеханическая характеристика АД ω=f(Iф) , которая на рис.2.15 изображена штриховой линией, в отличие от электромеханической характеристики ДПТ, совпадает с механической характеристикой только на ее рабочем участке. Это объясняется тем, во время пуска из-за изменяющейся частоты э.д.с.
в обмотке ротора Е2 изменяется частота тока и соотношение индуктивного и активного сопротивлений обмотки: в начале пуска частота тока большая и индуктивное сопротивление больше активного; с увеличением скорости вращения ротора ω частота тока ротора, а значит и индуктивное сопротивление его обмотки, уменьшается.
Поэтому пусковой ток АД в режиме прямого пуска в 5÷7 раз превышает номинальное значение Iфн, а пусковой момент Мп равен номинальному Мн. В отличии от ДПТ, где при пуске необходимо ограничивать пусковой ток и пусковой момент, при пуске АД пусковой ток необходимо ограничивать, а пусковой момент увеличивать.
Последнее обстоятельство наиболее важно, поскольку ДПТ с независимым возбуждением запускается при МсМс и будет работать в точке А (см. рис. 2.15). После этого момент сопротивления Мс можно увеличивать до МК.
АД, как и двигатели постоянного тока, при увеличении Мс будет автоматически, без вмешательства извне, снижать скорость ω и увеличивать вращающий момент М до тех пор, пока М и Мс не сравняются по величине, т.е. из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью.
При уменьшении Мс будет наблюдаться обратное – двигатель из установившегося режима с меньшей скоростью будет автоматически переходить в установившийся режим с большей скоростью. Рабочий участок механической характеристики АД аналогичен механической характеристике ДПТ с независимым возбуждением – прямая линия, наклоненная к оси абсцисс.
Такими свойствами АД обладает благодаря э.д.с. Е2, которая наводится вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора. При Мс>М динамический момент Мд
Механическая характеристика асинхронного двигателя
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.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Устройство асинхронной машины
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).
Из графика видно, что на участке 1-3 машина работает устойчиво. 3-4 — непосредственный отрезок неустойчивой работы. Идеальный холостой ход соответствует точке 1.
Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.
Механические характеристики электродвигателей переменного тока механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротор
Схема включения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 7.1, а. Механическая характеристика двигателя выражает зависимость между вращающим моментом и частотой вращения п, угловой скоростью или скольжением s.
Упрощенное уравнение механической характеристики асинхронного двигателя (формула Клосса) имеет вид
Зная величину Мн и si; и задаваясь значениями s, можно построить механическую характеристику асинхронного двигателя (рис. 7.1, б).
Участок 1, 2 представляет собой рабочую, устойчивую часть характеристики, на которой двигатель работает устойчиво. Потеря скорости при изменении нагрузки составляет 3—6% номинальной, поэтому эту часть характеристики относят к разряду жестких.
Участок характеристики 2, 3 — нерабочий. Двигатель работать под нагрузкой на этой части характеристики не может, поэтому эту часть характеристики называют неустойчивой.
- Отношение критического момента Mti к номинальному /Ином называется перегрузочной способностью двигателя Л:
- Отношение пускового момента Ма к номинальному Меом называется кратностью пускового момента
- Такой частоты вращения ротор двигателя не может достичь самостоятельно, так как для этого необходимо, чтобы момент сопротивления был равен нулю.
- Величина пускового тока в 3—8 раз больше номинального, поэтому недопустимо держать включенным двигатель, если он не развернулся после включения или если он опрокинулся (остановился) в результате перегрузки.
- Трехфазный асинхронный электродвигатель с коротко- замкнутым ротором имеет следующие положительные качества: простота конструкции; отсутствие нормально искрящих частей; большая перегрузочная способность и жесткость характеристики; надежность в работе и дешевизна в изготовлении.
- Наряду с положительными качествами электродвигатель с короткозамкнутым ротором имеет следующие недостатки: высокая чувствительность двигателя к колебаниям напряжения; большой пусковой ток; малый пусковой момент.
- Учитывая особенности механической характеристики асинхронных электродвигателей с короткозамкутым ротором, применять их рекомендуется для установок с жесткой характеристикой, перегружаемых в процессе работы и запускаемых без нагрузки.
Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором общего назначения из-за малых пусковых моментов и больших пусковых токов мало пригодны для привода горных машин.
Для них созданы специальные короткозамкнутые электродвигатели с уменьшенным пусковым током и увеличенным пусковым моментом, v В основу улучшения пусковых свойств короткозамкнутых двигателей положен принцип автоматического включения дополнительного активного сопротивления в обмотку ротора на период пуска при сохранении принципиального устройства короткозамкнутого ротора. Осуществление этого принципа достигается за счет специальной конструкции обмоток ротора, активное сопротивление которых автоматически изменяется по мере изменения скольжения в двигателе. Для этого обмотки ротора выполняются либо с глубоким пазом (рис. 7.2, б), либо с двойной «беличьей клеткой» (рис. 7.2, а).
Механические характеристики двигателя с глубоким пазом 1 и двигателя с двойной «беличьей клеткой» 2 приведены на рис. 7.2 в.
Как видно из характеристик, пусковой момент двигателя с двойной «беличьей клеткой» больше критического, поэтому опрокидывание этого двигателя в результате перегрузки менее вероятно. Даже при вынужденной остановке двигатель сохранит большой пусковой момент п легко разгонится, как только будет устранена причина перегрузки.
Загрузка...
