62.Вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле. Обычно под вращающимся магнитным полем понимается магнитное поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью. Впрочем, вращающимися называют и магнитные поля магнитов, вращающихся относительно оси, не совпадающей с их осью симметрии (например, магнитные поля звезд или планет).

Векторная сумма (не изображенный вектор, соединяющий начало первого из складываемых векторов и конец третьего) трех магнитных полей, создаваемых тремя катушками статора (синие стрелки) есть вращающееся магнитное поле - вращающийся вектор постоянной длины. Ротор на картинке представляет собой постоянный электромагнит, вращающийся вслед за вращающимся магнитным полем, создаваемым статором (см. Синхронный двигатель).

Вращающееся магнитное поле создают, накладывая два или более разнонаправленных переменных, зависящих от времени по синусоидальному закону, магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых друг относительно друга по фазе.

Это было на практике осуществлено независимо в 1888 году итальянским физиком Г. Феррарисом и сербским инженером Н. Тесла^[1]. Применяется в синхронных и асинхронных машинах.

Разность фаз для двухфазных систем (два перпендикулярных электромагнита) должна составлять 90°, а для 3-фазных (три электромагнита, направленных в одной плоскости под углом 120° друг к другу) 120°.

63.Устройство и принцип действия асинхронного двигателя.

Асинхронный электродвигатель имеет две основные части – статор и ротор. Неподвижная часть двигателя называется статор. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Вращающаяся часть машины называется ротор, в пазах его тоже уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается как можно меньше (0,3-0,35 мм в машинах малой мощности и 1-1,5 мм в машинах большой мощности). В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами. Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, они просты по устройству и удобны в эксплуатации. Трехфазная обмотка статора помещается в пазы и состоит из ряда катушек, соединенных между собой. Каждая катушка сделана из одного или нескольких витков, изолированных между собой и от стенок паза.

Рис. 1. Различные виды обмотки статора асинхронных электродвигателей

На рис. 1, а) показана обмотка статора асинхронного электродвигателя. У этой обмотки каждая катушка состоит из двух проводников. Обмотка, состоящая из трех катушек, создает магнитное поле с двумя полюсами. За один период трехфазного тока магнитное поле сделает один оборот. При частоте 50 Гц это будет соответствовать 50 об/сек, или 3000 об/мин. На рис. 1, б) показана обмотка, у которой каждая сторона катушки состоит из двух проводников. Скорость вращения магнитного поля четырехполюсного статора вдвое меньше скорости вращения поля двухполюсного статора, т. е. 1500 об/мин (при 50 Гц). Обмотка четырехполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу показана на рис. 1, в), а с двумя проводниками на полюс и фазу – на рис. 1, г). Магнитное поле шестиполюсного статора имеет втрое меньшую скорость, чем двухполюсного, т. е. 1000 об/мин (при 50 Гц). Обмотка шестиполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу представлена на рис. 1, д). Число всех пазов на статоре равно утроенному произведению числа полюсов статора на число пазов, приходящееся на полюс и фазу.

Таким образом, все стержни оказываются замкнутыми с двух сторон накоротко. Если представить себе отдельно обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо». В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора. Вал 6 вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8. Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам. Устройство статора асинхронного двигателя с фазным ротором и его обмотка не отличаются от устройства статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Различие между этими электродвигателями заключается в устройстве ротора.

64.Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск двигателя в ход. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сетьнаблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей.

    Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа:

1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора  при  нормальной  работе  соединена  треугольником.  

обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в 3 раза.

2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток.

3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей.

    Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента.

65.Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором.

При пуске асинхронного двигателя с фазным ротором, в цепь ротора включается добавочное активное сопротивление – пусковой реостат. Пусковой реостат имеет несколько ступеней и рассчитан на кратковременные протекания тока. При включении активного сопротивления в цепь ротора уменьшается начальный пусковой ток и увеличивается начальный пусковой момент. Пуск двигателя с фазным ротором состоит из четырёх ступеней. В начальный момент пуска, пусковой момент равен максимальному значению. По мере разгона двигателя его момент уменьшается до минимального значения. Потом снова при разгоне увеличивается и достигает максимального значения. Как только пусковой момент достиг максимума, пусковой реостат переводят во вторую ступень и сопротивление реостата уменьшается. Как только момент опять достигнет максимума, пусковой реостат переключают на третью и четвёртую ступень. После того как электромагнитный момент двигателя уменьшиться до значения равного противодействующему значению на валу, частота вращения ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. Таким образом в течении всего процесса пуска двигателя значение пускового момента остаётся приблизительно постоянным. Но следует помнить, что при слишком быстром переключении ступеней пускового реостата, пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений. В асинхронных двигателях которые работают через винтовой компрессор с фазным ротором развивается большой пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе, всего в два три раза превышающем номинальный ток двигателя. Недостаток пусковых свойств асинхронного двигателя с фазным ротором – это сложность пусковой аппаратуры, продолжительность пуска и неэкономичность. Поэтому из-за своей сложности и большой стоимости двигатели с фазным ротором применяют лишь в тех случаях, где необходимо регулировать скорость механизма: краны, лифты, шахтные подъёмники, некоторые виды конвейеров.

66.Уравнения электрического состояния обмоток статора и ротора асинхронного двигателя.

67.Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

Процесс преобразования электрической энергии, подведенной к двигателю из сети, в механическую, снимаемую с вала машины, сопровождается потерями.

Наглядное представление о распределении подведенной к двигателю мощности дает энергетическая диаграмма (рисунок 2.8).

68.Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронных двигателей

Момент, развиваемый двигателем равен электромагнитной мощности, деленной на синхронную скорость вращения электропривода.

M = P_эм/ω₀

Электромагнитная мощность – это мощность, передаваемая через воздушный зазор от статора к ротору, и она равна потерям в роторе, которые определяются по формуле:

P_эм = m • I₂² • (r₂’/s)

m – число фаз.

M = M_эм = (Pm/ω₀) • (I₂’)² • (r₂’/s)

Электромеханической характеристикой асинхронного двигателя является зависимость I2’ от скольжения. Но так как асинхронная машина работает только в качестве электродвигателя, основной характеристикой является механическая характеристика.

M = Mэ_м = (Pm/ω₀) • (I₂’)² • (r₂’/s) – упрощенное выражение механической характеристики.

Подставив в это выражение значение тока, получим: M = [P•3•U_ф²•(r₂’/s)] / [ω₀•[(r₁ + r₂’/s)² + (x₁ + x₂’)²]]

Будем считать, что m=3.

Ω = ω₀/p

Вместо ω₀ нужно подставить механическую скорость, в результате чего число пар полюсов сокращается.

M = [3•U_ф²•(r₂’/s)] / [ω₀•[(r₁ + r₂’/s)² + (x₁ + x₂’)²]] – это уравнение механической характеристики асинхронного двигателя.

При переходе асинхронного двигателя в генераторный режим, скорость вращения ω > ω₀ и скольжение становится отрицательным (s Когда скольжение изменяется от 0 до +∞, режим называется «режимом электромагнитного тормоза».

Задаваясь значениями скольжения от о до +∞, получим характеристику:

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя.

Как видно из механической характеристики, она имеет два экстремума: один на отрезке изменения скольжения на участке от 0 до +∞, другой на отрезке от 0 до -∞. dM/ds=0

M_max = [3•U_ф²•(r₂’/s)] / [2ω₀•[r₁ ± √(r₁² + (x₁ + x₂’)²)]] + относится к двигательному режиму. – относится к генераторному режиму.

M_max=M_кр M_кр – критический момент.

Скольжение, при котором момент достигает максимума, называется критическим скольжением, и оно определяется по формуле: s_кр = ±[r₂’/(x₁+x₂’)]

Критическое скольжение имеет одинаковое значение и в двигательном и в генераторном режимах.

Величину M_кр можно получить, подставив в формулу момента значение критического скольжения.

Момент при скольжении равном 1 называется пусковым моментом. Выражение для пускового момента можно получить, подставив 1 в формулу:

M_п = [3•U_ф²•r₂’] / [ω₀•[(r₁ + r₂’)² + (x₁ + x₂’)²]]

Поскольку знаменатель в формуле момента максимального на несколько порядков больше U_ф, принято считать M_кр≡U_ф².

Критическое скольжение зависит от величины активного сопротивления обмотки ротора R₂’. Момент пусковой, как видно из формулы, зависит от активного сопротивления ротора r₂’. это свойство пускового момента используется в асинхронных двигателях с фазным ротором, у которых пусковой момент увеличивают путем введения активного сопротивления в цепь ротора.

69.Естественная и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя. Построение механической характеристики двигателя по каталожным данным.

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 характеристикиполучаются, 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.

Характеристика асинхронного двигателя естественна при

U_дв = U_н, отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора и статора и при частоте источника питания, равной номинальной

частоте двигателя.

Естественную механическую характеристику по каталожным данным строят при расчетах переходных процессов электропри­водa, определении: частоты вращения регулируемого двигателя, т.е. в тех случаях, когда нужно точно знать частоту вращения и момент [18].

Исходные данные берут из таблички на щитке двигателя или из каталога (5): номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальная частота вращения n_н. , или значение номинального скольжения s_н (обычно в процентах); кратность критического момента М_к/М_н, для двигателей серии 4А ее обозначают μ_к; кратность пускового момента М_п/М_н обозначают μ_п; кратность минимального момента М_min/М_н - μ_min; критическое скольжение –

Естественную механическую характеристику АД строят по пяти точкам с соответствующими координатами:

Первая точка - синхронная угловая скорость ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30 , где f - частота питающей сети; n_о = 60f/р; p – число пар полюсов (определяется из типоразмера электродвигателя). В каталожных данных при f = 50 Гц синхронная частота вращения двигателя = 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 и т.д.. Момент двигателя при ω_о равен нулю, т.е. эта точка лежит на оси ординат – частоты вращения;

Вторая точка – номинальные: частота вращения ω_н = πn_н/30 или (1- s_н), и момент М_н = Р_н • 10^-3/ ω_н, Н•м.

Третья точка – критические: момент и угловая скорость ω_к = ω_о(1 - s_к).

Если значение критического скольжения не приводится в справочной литературе, его определяют по формуле:

 

 

Четвертая точка – минимальные: момент М_м = М_нскорость

ω_м = ω_о(1 - s_м), s_m= 6/7 для всех двигателей:

Пятая точка - пусковой момент М_п = М_н, ω_о = 0.

Для более точного построения механической характеристики в области критического скольжения необходимо взять несколько промежуточных точек и определить значения момента по (4.20).

Рис. 4.3. Построение естественной механической характеристики

асинхронного двигателя.

Соединив плавной линией рассчитанные точки, получим график механической характеристики асинхронного двигателя (рис.4.3). На этой же рисунке пунктиром приведен график ме­ханической характеристики, построенной по уравнению (4.19).

Естественная электромеханическая характеристика асинхрон­ного двигателя I = f(ω) нужна при построении нагрузочных диаг­рамм для проверки двигателя на нагрев.

Рис.4.4. Построение естественной электромеханической

характеристики асинхронного двигателя.

Исходные данные можно взять из таблички двигателя и каталога: номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальное линейное напряжение двигателя U_н, B; номинальные коэффициенты: полезного действия η_н и мощности cosφ; кратность пускового тока 1_п; номинальное и критическое скольжение s_н, s_к. Естественную электромеханическую характеристику строят по четырем характерным точкам:

Первая точка имеет координаты :синхронная угловая скорость

ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30 и ток статора, соответствующий ω_о (ток намагничивания) :

I_c = I _н(sinφ_н - cosφ_н/2 _к), (4.30)

где _к - кратность критического момента ;

Вторая точка соответствует номинальным значениям:

I_н = P_н • 10³/(• U_н • η_н • cosφ_н); ω_{н =} ω_о(1 - s_н);

Третья точка соответствует критическому скольжению дви­гателя:

ω_{к =} ω_о(1 - s_к); I_к = (0,7…0,8)I_пуск

Четвертая точка - пусковая: I_пуск = I_н • i_п; ω = 0

70.Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.

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.

Допустимая нагрузка двигателя при работе его на регулировочных характеристиках ограничивается величинами токов в статорной и роторных цепях. Эта нагрузка определяется допустимым нагревом двигателя и во многом определяется механическими характеристиками производственных механизмов, моментом сопротивления на валу, условиями нормального пуска двигателя и др.