Асинхронный двигатель. (Лекция 4)

Номинальные данные АД на табличке корпуса:
1. Номинальная мощность – это номинальная механическая мощность на валу.
2. Линейное напряжение обмотки статора. Обычно в виде дроби: при большем напряжении сети обмотка соединяется по схеме звезда, а при меньшем – по схеме треугольник.
3. Линейные токи также указываются в виде дроби.

4. Частота вращения ротора.
5. Коэффициент мощности.
6. Коэффициент полезного действия

Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора асинхронного двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора – как вторичную.

АД при заторможенном роторе
Вращающееся магнитное поле статора, пересекая неподвижные обмотки статора и ротора, будет индуктировать в них соответственно ЭДС E1 и E2:

Ток холостого хода IO АД из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе
(20–40 % от номинального по сравнению с 2–5 % у тр-ра)

Реактивная составляющая тока Iо является намагничивающей, так как она создает поток Ф. Активная составляющая Iоа вызывается магнитными потерями в стали статора, возникающими от потока Ф

Векторная
диаграмма
АД при
нагрузке

Для уменьшения тока холостого хода заводы-изготовители стремятся выполнить в асинхронных двигателях минимально возможные воздушные зазоры.
В двигателе мощностью 5 кВт он равен 0,2–0,3 мм.

Асинхронный двигатель при вращающемся роторе:
Вращающийся магнитный поток статора, обгоняя ротор, индуктирует в нем ЭДС и токи с частотой
f2S = f1 s
ЭДС фазы вращающегося ротора
Индуктивное сопротивление ротора

Ток вращающегося ротора

Основные уравнения приведенного АД
Уравнение равновесия
напряжений в обмотке статора

Уравнение равновесия
напряжений в обмотке ротора
Приведение роторной обмотки
осуществляется к числу витков и
числу фаз статорной

Схемы замещения АД
Для расчета характеристик АД и исследования различных режимов его работы удобно использовать схемы замещения

Большое практическое применение для анализа работы АД находит
Г-образной схемой замещения
Погрешность
в расчете
не превышает
1–5 %

Обозначения: r1 и x1– активное и индуктивное сопротивления фазной обмотки статора; – приведенные активное и индуктивное сопротивления фазной обмотки ротора.

параметры намагничивающей ветви схемы. Индуктивная составляющая является индуктивным сопротивлением взаимной индукции. Как и в трансформаторе, сопротивление зависит от подведенного напряжения U1. С повышением U1 сопротивление уменьшается.

Сопротивление _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ зависит от скольжения, и мощность, выделяемая в нем, численно равна механической мощности двигателя Рмех. Следовательно, сопротивление в схеме замещения выполняет роль нагрузки двигателя.

Из Г-образной схемы замещения приведенный ток роторной обмотки

Энергетическая диаграмма АД

К АД из сети подводится активная мощность
Часть этой мощности затрачивается на магнитные потери в стали ΔРм1 и электрические потери в обмотке статора ΔРэл1

Остальная мощность электромагнитным путем передается на ротор и называется электромагнитной мощностью
Рэм= Р1 – ΔРм1 – ΔРэл1
Частично Рэм расходуется на потери в обмотке ротора ΔРэл2

Магнитные потери в роторе из-за малой частоты перемагничивания стали (0,5...2)Гц малы, и поэтому их не учитывают.
Рмех=Рэм–ΔРэл2–полная мех. мощность
Полезная механическая мощность Р2, снимаемая с вала двигателя, меньше Рмех на значение механических потерь ΔРмех на трение в подшипниках, вентиляцию и добавочных потерь ΔРдоб

Добавочные потери ΔРдоб связаны с высшими гармониками МДС в магнитном поле из-за зубчатого строения статора и ротора. ΔРдоб трудно поддаются определению и принимаются равными 0,5% подводимой мощности. При других нагрузках пропорциональны квадрату тока статора.

КПД асинхронного двигателя:

КПД асинхронных двигателей достаточно высокий – от 0,7 до 0,95,
причем КПД увеличивается с повышением мощности двигателя и с увеличением его частоты вращения

КПД асинхронного двигателя:

Реверс – это изменение направления вращения ротора. Необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора, что в достигается переменой мест двух любых проводов на клеммах трехфазной сети.
Реверс

Рассчитать механическую характеристику можно по паспортным данным АД с помощью формул М. Клосса:

Пусковые свойства двигателя характеризуются кратностью пускового момента
Перегрузочная способность двигателя оценивается кратностью максимального момента

Критическое скольжение
Максимальный момент

Зависимость М = f(s)

Максимальный момент не зависит от активного сопротивления обмотки ротора , однако это сопротивление оказывает влияние на скольжение sкр

Для двигателей с фазным ротором при пуске (s = 1) в цепь ротора включается пусковой реостат, чтобы двигатель развивал пусковой момент, равный максимальному.

Зависимости М = f(s)
при различных значениях
сопротивления пускового реостата

Зависимость М ≡ U12 является недостатком АД.
Например, если U1 понизится на 25%, т. е. U1 = 0,75U1н, то при этом кратность максимального момента составит 0,752 ≈ 0,56, частота вращения уменьшается до тех пор, пока М < МС

Рабочие характеристики асинхронного двигателя
При изменении нагрузки двигателя происходит изменение тока I1, мощности P1, частоты вращения ротора n2, скольжения s, КПД η и cosφ1.

Схема для определения характеристик
АД
Метод непосредствен-ной нагрузки

Примерный вид рабочих характеристик АД

При холостом ходе (P2=0 и M2=0) ток I1 равен току холостого хода I0.
Как и в трансформаторе, этот ток является намагничивающим и создает основное магнитное поле. Однако из-за наличия воздушного зазора между статором и ротором он значительно больше, чем у трансформатора, и составляет 20–50 % номинального тока статора.

Мощность P10 при холостом ходе расходуется на потери внутри машины:
-механические потери ∆Pмех,
-магнитные потери в стали статора ∆Pм1,
-электрические потери в обмотке статора от тока I0.

Увеличение момента M2 сопровождается увеличением тока ротора I2, что связано с увеличением ЭДС E2S вследствие снижения частоты вращения n2 и увеличения s.
У большинства АД изменение n2 незначительно и хар-ка n2=f (P2) является жесткой

Пуск в ход АД
n=0
В момент пуска ротор неподвижен и в роторе индуктируется большая ЭДС, следовательно, протекает большой роторный ток.

При пуске должны удовлетворяться требования: - пуск должен быть простым; - пусковой момент должен быть достаточно большим;
- пусковые токи – малыми.

Практически используют следующие способы пуска:
1. Включение обмотки статора в сеть (прямой пуск);
2. Понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске;
3. Подключение к обмотке ротора пускового реостата, только для фазного ротора.

Применяют для пуска АД с короткозамкнутым ротором.
Если МП < МС, то двигатель разогнаться не сможет.
Недостаток прямого пуска- большой ток, применяется для малых и средних мощностей.
1. Прямой пуск

Для АД с короткозамкнутым ротором мощностью
0,6–100 кВт: kп = Mп/Mн = 1,0...2,0;
100–1000 кВт: kп = 0,7...1,0.
Пусковой момент

Пуск при пониженном напряжении. Для АД с КЗР большой мощности. Понижение напряжения выполняют путем переключения обмотки статора при пуске с рабочей схемы ∆ на пусковую схему Υ
Применяется только в случае, если обмотка статора двигателя нормально соединена по схеме треугольник

Пуск при пониженном напряжении.
Для АД с КЗР
с помощью автотрансфор-матора (дороже)
с помощью реактора
(снижение момента в квадрате)

При включении обмотки статора по схеме Y линейные токи уменьшаются в 3 раза по сравнению с пуском по схеме ∆. По окончанию процесса пуска и разгона двигателя обмотку статора переключают обратно на схему ∆.

Механические характеристики при включении обмотки статора
АД по схемам Y и ∆

Недостаток: пусковой и вращающий моменты двигателя, пропорциональные квадрату напряжения сети, уменьшаются в 3 раза.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Применяют только для пуска АД с фазным ротором.
Пусковой реостат имеет три – шесть ступеней, для плавного уменьшения пускового тока и высокого момента в период разгона двигателя

Включение сопротивления уменьшает пусковой ток двигателя

Увеличение Mп за счет включения пускового реостата в цепь ротора при пуске двигателя может быть объяснено рисунком
M =
При пуске уменьшается ток статора и угол ,
что приводит к росту момента M.

Недостаток пуска АД с фазным ротором – сложность.
Кроме того, АД с ФР имеют худшие рабочие характеристики, чем АД с КЗР (кривые η и cosφ2 ниже)

Недостаток пуска АД с фазным ротором – сложность.
Кроме того, АД с ФР имеют худшие рабочие характеристики, чем АД с КЗР (кривые η и cosφ2 ниже)

Из формулы
следует, что частоту вращения можно регулировать изменяя :
1.- частоту f1 напряжения,
2.- число пар полюсов p;
3.- величину скольжения s.
Регулирование частоты
вращения АД

В качестве источника изменения частоты применяются полупроводниковые преобразователи частоты
Частотное регулирование

Область применения: насосы,
лифты , компрессоры,
экструдеры, вентиляторы,
станки

1-2,5 кВт
180-200 $

изменением частоты f1 питающего напряжения!!!

Структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока компаний Omron и Yaskawa

Широтно-импульсная модуляция

Надежность частотных преобразователей Omron

При частотном регулировании одновременно с изменением частоты f1 приходится изменять и подводимое напряжение U1
Для неизменного максимального момента

При этом основной магнитный поток машины при различных значениях частоты f1 остается неизменным

Механические характеристики АД
при частотном регулировании Mмакс = const

2) переключением числа пар полюсов p

Многоскоростные АД применяют для электропривода станков и лифтовых асинхронных двигателей.

Асинхронные двигатели с переключением числа пар полюсов называют многоскоростными.
Они выпускаются на две, три и четыре частоты вращения. Известно большое число схем, позволяющее осуществлять переключение числа пар полюсов.

Из всех способов регулирования способ переключения числа пар полюсов наиболее экономичный, хотя и он имеет недостатки:
–большие габариты и массу по сравнению с норм. АД;
– регулирование НЕ ПЛАВНОЕ, а ступенчатое.

Регулирование частоты вращения
изменением числа пар полюсов

Механические характеристики АД при частотном регулировании

Мех. характеристики двухскоростного двигателя
с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1

Данный способ регулирования частоты вращения применяется только для АД с короткозамкнутым ротором.

Регулирование частоты вращения АД путем включения в цепь ротора добавочного активного сопротивления. Применяется только в АД с ФР

Регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительный режим работы.

Недостатком этого способа являются большие потери энергии в добавочных сопротивлениях.
На практике данный способ применяется для регулирования частоты вращения небольших двигателей, например, в подъемных устройствах.

Используются в вентиляторах, компрессоров холодильников, приводов барабанов стиральных машин, и другой бытовой техники , насосов.
Их преимущество — возможность использования там, где нет трехфазной сети, но есть однофазная.
Однофазные АД

Однофазные АД

Используются в вентиляторах, компрессоров холодильников, приводов барабанов стиральных машин, и другой бытовой техники , насосов.
Их преимущество — возможность использования там, где нет трехфазной сети, но есть однофазная.
Однофазные АД

Центробежный переключатель подключает пусковую обмотку двигателя перед пуском и отключает после окончания пуска

В однофазном АД обмотка статора создает
неподвижный поток, изменяющийся во времени, а не круговой вращающийся, как в трехфазных АД

Неподвижный пульсирующий магнитный поток представляется суммой двух круговых вращающихся полей, имеющих одинаковые частоты вращения n1пр = n1обр, но противоположных по направлению

Разложение пульсирующего поля на два вращающихся

Зависимости М = f(s) от прямого и обратного вращающихся полей

Моменты Mпр и Mобр направлены в противоположные стороны, а результирующий момент однофазного двигателя Mрез равен разности моментов

Однофазный АД не имеет пускового момента; он будет вращаться в ту сторону, в которую будет приведен внешней силой;
рабочие характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного: меньший КПД, меньшая перегрузочная способность.

Чтобы получить пусковой момент, однофазные АД снабжают пусковой обмоткой (ПО), расположенной со сдвигом на 90 эл. градусов относительно рабочей обмотки (РО).

Пусковой конденсатор

Поскольку включение второй обмотки существенно улучшает механическую характеристику двигателя, в некоторых случаях применяют однофазные двигатели, в которых обе обмотки включены всё время

Недостатком его является сравнительно большая масса и габариты конденсатора.

Ограничения при их применении:
- однофазные АД нельзя использовать в режиме холостого хода - при малых нагрузках АД сильно перегреваются;
- не рекомендуется эксплуатировать двигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Асинхронная машина в режиме
генератора Для самовозбуждения генератора должны выполняться следующие условия: 1 наличие остаточного магнитного потока Фост;
2 наличие конденсаторных батарей.

Самовозбуждение асинхронного генератора
Процесс самовозбуждения
Схема включения
в генерат. режим

Недостатки асинхр. генератора:
– необх. конденсаторные батареи;
– проблемы при работе на индуктивную нагрузку;
– сложная связь напряжения и частоты тока от нагрузки.
Достоинства: – дешевле, чем синхронный генератор; – надежность его выше из-за отсутствия скользящих контактов.

Электромагнитное торможение:
1 Торможение противовключением. Если у АД поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то направление вращающегося поля статора изменится на обратное.

Динамическое торможение реализуется отключением обмотки статора от сети переменного тока и включением на постоянное напряжение

Достоинство
- возможность регулировать момент торможения и точно остановить. Применяетсяв подъёмно-транспортных машинах, в циркулярных пилах, в двухсистемных электровозах,
в конвейерах для безопасной остановки механизмов при отключении электродвигателей и т. д.