Выберите устойчивый участок механической характеристики асинхронной машины

Обновлено: 08.07.2024

Предназначено для проведения практических занятий и выполнения самостоятельной работы по дисциплине "Электрические машины и аппараты" по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 - "Приборостроение". Пособие может быть полезным для студентов, изучающих дисциплины "Электротехника", "Электромеханическое оборудование в приборостроении", "Электрические машины в приборных устройствах", а также студентов всех инженерных специальностей, в том числе и электротехнического профиля.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.

• При подключении обмотки статора к источнику трехфазного
напряжения в сердечнике статора возникает магнитное поле,
вращающееся со скоростью
n0 60 f1 / p
, об/мин,
• где f1 — частота тока питающей сети, Гц; p — число пар
полюсов вращающегося магнитного поля.
• Число пар полюсов определяется устройством фаз статорной
обмотки.
• Вращающееся магнитное поле наводит в обмотке ротора
Э.Д.С., под действием которой в замкнутой обмотке ротора
возникает ток. На обмотку ротора с током начинают действовать
силы, образующие вращающий электромагнитный момент М, и
ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного
поля.

• Величина вращающего момента определяется выражением
M 9550 P n , Н·м,
• где Р — номинальная мощность на валу двигателя, кВт; n —
частота вращения ротора двигателя, об/мин.
Э.Д.С., а, следовательно, и электромагнитный момент М
возникают только в том случае, если частота вращения ротора n
будет отличаться от частоты вращения магнитного поля n0.
Разница скоростей Δn = n0 – n называется скольжением
асинхронного двигателя. Скольжение выражается в
относительных единицах или в процентах:
s n0 n n0
; .s% n0 n n0 100%
В зависимости от соотношения n и n0 асинхронная машина
может работать в одном из трех режимов. При n n0 асинхронная машина работает в
генераторном режиме. Электромагнитный момент М меняет
направление и становится тормозным по отношению к силам,
вращающим ротор с n > n0. При n = –n0 электромагнитный
момент также меняет знак и асинхронная машина переходит в
режим электромагнитного тормоза по отношению к внешним
силам, вращающим ротор в направлении, противоположном
направлению вращения магнитного поля.

4. Механическая характеристика асинхронного двигателя

• Механическая характеристика — зависимость
частоты вращения ротора двигателя от
электромагнитного момента. Механическая
характеристика может быть приближенно построена
по четырем точкам, координаты которых
определяются паспортными данными двигателя и
соответствуют четырем основным режимам
двигателя:
• Идеальный холостой ход — n = n0; М = 0;
• Номинальный режим — n = nн; М = Мн;
• Критический режим — n = nк; М = Мк;
• Пусковой режим — n = 0; М = Мп.

5. Механическая характеристика асинхронного двигателя

6. Координаты точек механической характеристики

Координаты точек находятся по следующим формулам:
частота вращения магнитного поля
n0 60 f / p , об/мин,
где f — частота тока питающей сети, Гц, р — число пар полюсов
вращающегося магнитного поля;
номинальный вращающий момент
M н 9550 P2н nн , Н·м,
где Р2Н — номинальная мощность на валу двигателя, кВт; nН —
номинальная частота вращения ротора двигателя, об/мин;
критический момент двигателя
Mк = λ·Мн, nк = n0·(1 – sк), Н·м,
где λ — коэффициент перегрузки двигателя; nк — критическая частота
вращения; sк — критическое скольжение:
sк sн 2 1 n0 n n0 2 1
;
пусковой момент двигателя:
Мп = β·Мн.

• Перезагрузочная способность λ и краткость пускового
момента β для данного двигателя берутся по каталогу
или справочнику.
Естественная механическая характеристика
снимается при номинальных параметрах асинхронного
двигателя:
• UH — номинальное напряжение питания;
• fH = 50 Гц — номинальная частота напряжения сети;
• λ = 2 ÷ 2,5;
• β = 0,8 ÷ 1,3.
Асинхронный двигатель устойчиво работает на
участке 1–2 механической характеристики). Участок
неустойчивого равновесия 3–4 является нерабочим
участком.

8. Пуск асинхронного двигателя

9. Регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя

• Под регулированием понимается
принудительное изменение частоты
вращения ротора при неизменном моменте
сопротивления нагрузки на валу двигателя.
Это достигается путем перевода двигателя с
естественной характеристики на
искусственную за счет изменения параметров
сети (величин напряжения U или частоты f),
числа пар полюсов вращающегося
магнитного поля (в многополюсных
двигателях) или путем введения в цепь
ротора добавочных сопротивлений (для
двигателей с фазным ротором).

10. Естественная (1) и искусственные (2, 3) механические характеристики

• На рис. показаны естественная (1) и
искусственные (2, 3) механические характеристики.
Из рисунка видно, что при Мс = const, изменить
частоту вращения ротора с n до n1 можно путем
уменьшения параметров сети U1 и f1 при U1 / f1 =
const (характеристика 2), либо путем введения в
цепь фазного ротора добавочного сопротивления
(характеристика 3). В многополюсных двигателях
характеристика 2 может быть получена путем
увеличения числа пар полюсов вращающегося
магнитного поля, т.е. путем переключения фазных
обмоток статора. В этом случае регулирование
частоты вращения возможно только ступенчатое.

12. Торможение асинхронного двигателя

• Для торможения асинхронного двигателя необходимо
изменить направление электромагнитного момента
на противоположное по отношению к направлению
вращения ротора. Из рис. видно, что затормозить
двигатель с частотой вращения n(характеристика 1)
до полной остановки можно переводом двигателя в
режим противовключения за счет изменения
направления вращения магнитного поля. Для этого
достаточно поменять местами два линейных
провода, подключенных к фазам статорных обмоток .
• Второй способ — перевод двигателя в режим
динамического торможения. Для этого обмотка
статора отключается от сети переменного тока и
подключается к источнику постоянного тока
(характеристика 3).

13. Тормозные механические характеристики асинхронного двигателя

• В режиме противовключения в момент остановки
двигателя в точке 3 двигатель необходимо
отключить от сети. В противном случае он
разгонится в обратную сторону до точки 4 (см.
рис. ). Тормозить двигатель можно и в
генераторном режиме (характеристика 4),
уменьшая параметры сети U1 и f1 до U1′ и f1′,
двигатель будет тормозиться со скорости n (точка
2) до скорости n0′ в генераторном режиме. Под
действием момента сопротивления Мс — со
скорости n0′ до n′. Уменьшая далее параметры
системы, можно затормозить двигатель до полной
остановки.

15. Паспортные данные асинхронного двигателя

АДМ63В4У2
Тип двигателя
Номинальное напряжение, В (Δ/Y)
Номинальный ток, Iн, A (Δ/Y)
Номинальная мощность, кВт
Номинальная частота вращения, об/мин
Коэффициент полезного действия, %
Коэффициент мощности, cos φ
220/380
2,9/1,7
0,55
1370
68
0,7
Кратность пускового тока Iпуск / Iн
5
Перегрузочная способность λ = Ммакс / Ми
2,2
Кратность пускового момента β = Мпуск / Ми
1,8
Число полюсов
4

Как следует из рис. по мере увеличении момента сопротивления увеличивается скольжение машины и развиваемый момент. При некотором критическом значениискольжения s_КР, момент двигателя достигает максимального (или критического) значения – М_КР. Жёсткость механической характеристики асинхронных двигателей переменна: на рабочем участке s = 0…s_КР: b ½s_КР½ – положительна: b [1] , предназначенная для работы в системах регулирования и управления, гироскопических устройствах, бытовых приборах.

Классификация

Электрические микромашины по назначению разделяются на две группы:

· общего применения (коллекторные, синхронные, асинхронные микродвигатели);

· электрические машины устройств и приборов

· силовые (преобразуют электрическую энергию в механическую),

· информационные (преобразуют угол поворота, угловую скорость и ускорение в электрический сигнал),

Асинхронные электродвигатели представляют собой полноценные системы, качество работы которых определяется техническими характеристиками. Для чего они нужны и каким образом измеряются и изменяются, мы опишем далее. Параметры двигателя – первое, что необходимо знать перед началом его эксплуатации.

Для того, чтобы обеспечить нормальную слаженную работу асинхронных силовых агрегатов, необходимо знать все об этих моторах, в частности, их рабочие и механические характеристики. Это необходимо, как при покупке компонентов в магазине, так при реализации их своими руками. Также, при помощи правильного регулирования этих показателей, вы сможете успешно управлять работой двигателя, обеспечивая не только высокую продуктивность, но и снижение энергозатрат.

Общие параметры

По умолчанию, стандартная машина асинхронного типа (без доработок и модификаций) включает 2 основных компонента:

статор – неподвижную деталь;
ротор – деталь, поддающаяся вращениям.

Конкретная схема для построения, выбирается с учетом паспортных данных электродвигателя и показателей сетевого напряжения, от которого будет производиться питания.

Основная задача статора – создание магнитного поля внутри мотора, которое бесперебойно вращается. Ротор же бывает двух видов – фазный и короткозамкнутый. Последний имеет скорость оборотов, которая не поддается регулированию. Применение такого компонента в силовом агрегате делает конструкцию проще и дешевле. Момент запуска у таких устройств, правда, низкий, чего не скажешь о моторах с ротором фазным. У него скорость вращения управляется при помощи ввода вспомогательного сопротивления.

Принцип действия мотора

Первое, что осуществляется – на статорную обмотку подается электрическое напряжение. По каждой отдельной фазе можно видеть постоянно меняющиеся магнитные потоки, смещенные по отношению друг к другу на угол 120 градусов. В результате получается общий результирующий поток, который также вращаемый, а с его помощью создается электродвижущая сила внутри роторных проводников.

Именно так в результате получается ток, который совмещается с потоком результирующим, что создает момент пуска. А он в свою очередь приводит ротор в движение.

Это общее, упрощенное описание принципа действия силового агрегата с разными скоростями оборотов. Для того, чтобы рассмотреть работу мотора, стоит углубиться в механические и рабочие характеристики, точно влияющие на вышеописанный алгоритм срабатывания.

Механическая характеристика

Суть данного параметра состоит в прямой зависимости частоты оборотов ротора от показателей нагрузки. То есть, от момента вращения на валу. Когда нагрузка находится на номинальном уровне, то частота вращений для разнотипных моторов варьируется в диапазоне от 92,5 до 98% от частоты оборотов n1. Скольжение (Sном) при этом не превышает уровень в 2 – 7,5%.

Чем выше уровень нагрузки, с которой работает мотор, тем ниже частота оборотов электрического мотора. Частота оборотов асинхронного двигателя несущественно снижается при усилении нагрузки в пределах от нуля до максимального значения. Визуально это можно видеть выше, на рисунке А. из этого следует, что электрический агрегат относится к моторам с жесткой механической характеристикой.

М макс., то есть наибольший крутящий момент, агрегат развивает, когда имеется определенное скольжение (Skp), который находится на уровне от 10 до 20 процентов. Соотношение величин Ммакс и Мном указывает на перегрузочную способность мотора. Отношение же Мп к М номинальному, указывает на пусковые качества электродвигателя.

Электрический мотор способен стойко и бесперебойно работать при условии обеспечения самостоятельного регулирования, когда будет автоматически установлено равновесие между моментом нагрузки, нацеленным на вал (Мвн) и М моментом, который развивает непосредственно двигатель. Это условие отлично отображается на верхней части характеристики, при достижении максимального показателя М. Другими словами — до уровня точки В.

В ситуациях, когда момент нагрузки М превышает показатель М макс., то мотор имеет сниженную устойчивость и останавливается. Параллельно с этим по машинным обмоткам будет довольно долго подаваться ток в несколько раз выше номинального, что может привести к перегоранию. Температура деталей растет, из-за превышенного электричества.

При подключении в электрическую цепь роторных обмоток от пускового реостата, на выходе мы получим полный набор механических характеристик. Первый параметр при эксплуатации мотора без стартового реостата, называют естественной характеристикой. Второй, третий и четвертый показатель, которые получаются при подсоединении к роторной обмотке двигателя реостата, обладают сопротивлениями R1п (2п и 3п соответственно), относятся к механическим характеристикам реостатного типа.

Когда же проводится запуск пускового реостата, механическую характеристику называют мягкой или крутопадающей. Это обусловливается тем, что существенно возрастает показатель активного сопротивления роторной цепи R2 и увеличивается Sкр. Параллельно с этим снижается ток запуска. Данная величина (Мп) также регулируется R2. При этом, существует возможность подобрать реостат с определенным сопротивлением, для того, чтобы момент пуска (Мп) равнялся максимальному М.

Электромеханическая характеристика

Показатель является зависимостью угловой скорости оборотов от статорного тока. При использовании сразу нескольких опорных точек можно создать такую характеристику. Для этого проводят расчет таких величин:

Все эти значения максимально точно отображают электромеханическую характеристику.

Рабочие характеристики

Данные параметры указывают на зависимости от полезной мощности Р2 = Р макс. таких показателей:

частот вращений (n) или скольжения (S);
валового момента (М2);
статорного тока I1 ;
КПД (коэффициента полезного дейс твия ).

При этом значения частоты f1 и напряжения U1 должны быть на номинальных уровнях. Они реализуются для областей устойчивого срабатывания мотора. Это означает, что диапазон должен быть от нулевого скольжения до того, которое превышает номинальное на 10 – 20%.

Частота оборотов при растущей отдаваемой мощности мало поддается изменениям. Это уже можно было видеть в механической характеристике, тогда, когда валовый момент М2 пропорциональный показателю мощности Р2. Крутящий момент ниже, чем электромагнитный момент, разница представляет собой значение момента торможения Мтр, который генерируется силами трения.

Статорный ток I1 увеличивается вместе с отдаваемой мощностью, но, когда показатель Р2 равен нулю, присутствует определенный ток для работы на холостых оборотах – I0. Уровень КПД также снижается, практически идентично, как у трансформатора, сохраняя довольно-таки высокое значение, в относительно широком спектре нагрузок.

Наибольший коэффициент полезного действия для асинхронных силовых агрегатов со средними и большими мощностями, варьируется в пределах 0,75 – 0,95. Чем выше мощность машины, тем больше у нее КПД.

Мощностной коэффициент косинус ϕ1 у асинхронных моторов аналогичных характеристик при наличие максимальной нагрузки составляет 0,7 – 0,9.

Исходя из этого, можно видеть, что силовые агрегаты перегружают электрические подстанции и сети питания своими довольно внушительными токами, которые могут достигать от 40 до 70% от номинальных токов. Это – один из самых весомых недостатков установок такого типа.

Если же моторные нагрузки на порядок меньше, например 25 – 50% от рабочих, то мощностной коэффициент падает до недостаточных значений – 0,5 – 0,75. Когда осуществляется снятие нагрузки с мотора, коэффициент мощности уменьшается еще и новые показатели составляют 0,25 – 0,3. Именно поэтому нельзя допускать, чтобы асинхронный двигатель функционировал длительное время на холостых оборотах, а также при существенных недогрузках.

Работа на пониженных напряжениях или с обрывами фаз

Сниженное напряжение в питающей сети существенно не влияет на показатели частоты оборотов роторных элементов асинхронного мотора. При этом также уменьшается показатель наивысшего крутящего момента, который позволяет развить ресурс мотора. К примеру, когда происходит понижение на 30%, момент вращения сокращается приблизительно в два раза. Это обусловливает то, что когда напряжение падает несущественно, мотор может остановиться, а при низком – не запуститься.

На эквивалентное последовательное сопротивление (Э.П.С) переменного тока питания при снижении напряжения в сети контактного типа параллельно снижается уровень напряжении в сетях с тремя фазами. От таких источников питаются двигатели асинхронного типа, которые приводят в движение вспомогательные компоненты производственного оборудования: гидравлические и пневматические насосы, компрессорные установки, вентиляторы и др.

Для обеспечения нормальной работы моторов на пониженных уровнях напряжения (их рабочий процесс должен осуществляться без сбоев при падении напряжения до 0,75 U ном), величины мощности должны быть с определенными показателями. Эти данные сводятся к тому, что мощности всех вспомогательных компонентов на Э.П.С берутся с показателями, приблизительно в полтора раза большими, чем требуется для приведения их в действие с номинальным напряжением.

Такой высокий запас ресурса необходим через наличие несимметрии напряжений фазного типа. Это обусловливается тем, что на последовательном сопротивлении, двигатели питаются от фазного расцепителя, а не от генератора на 3 фазы.

Асимметричность напряжений обусловливает различия в напряжениях фазовых токов, а также сдвиги между ним, которые не будут иметь углы в 120 градусов. Такое явление обусловливает то, что по одной фазе будет подаваться ток с более высокими показателями, что вызовет нагрев намоток этой же фазы. Чтобы этого не возникало, необходимо ограничивать нагрузку на мотор, сравнительно с его работой при напряжениях симметричного типа.

Обрывы фаз также имеют место в работе асинхронного двигателя. При возникновении такой ситуации мотор работает и дальше, но, при этом, по целым фазам будут идти токи на повышенных уровнях. Это в свою очередь также вызовет нагрев катушек, из-за чего функционирование в таких режимах не допускается. Запуск агрегата с поврежденными обмотками невозможен, что обусловливается недостаточным магнитным полем, которое не приведет в движение ротор.

Когда в контактной части количество оборотов уменьшается то, как правило – подача вспомогательного оборудования остается неизменной. В моторах постоянного тока, частоты оборотов прямо пропорциональны напряжению питания, исходя из этого, подача машин меняется.

Читайте также: