Электрическая схема асинхронного короткозамкнутого двигателя

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

МОДЕРНИЗАЦИЯ СХЕМЫ РЕЖИМА ПУСКА-ТОРМОЖЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

• Авторы
• Файлы работы
• Сертификаты

Предполагается, что предлагаемое схемное решение позволит оптимизировать пуск-торможение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и исключить ударные нагрузки в режиме торможения.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, направление вращения, сопротивление обмоток, точность регулирования, нагрузки двигателя

The purpose of this work is the modernization of the working scheme of the start-up braking mode of an asynchronous three-phase motor with a squirrel-cage rotor by replacing the obsolete electronic base with modern widely available and inexpensive electronic components, and replacing the relay components with contactless ones with detailed development of the control program on the microcontroller.

It is assumed that the proposed circuit solution will optimize start-up of the induction motor with a squirrel-cage rotor and exclude impact loads in the braking mode.

Keywords: asynchronous motor, direction of rotation, winding resistance, accuracy of regulation, motor loads

Трехфазные асинхронные двигатели благодаря простоте и надежности конструкции и низкой стоимости активно используются в производстве[1]. До сих пор в промышленности широко распространены трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие трехфазную обмотку на статоре и питающиеся от трехфазной сети. Существующая потребность в регулировании параметров двигателей, для оптимального управления технологическим процессом, позволяет считать модернизацию подобного рода систем актуальной и значимой для современного производства[2].

Описание исходной электрической структурной схемы

Рисунок 1- Исходная структурная схема

Рассмотрим принцип работы исходной структурной схемы.

При нажатии на кнопку «Пуск» срабатывает контактор и своими главными контактами включает двигатель в сеть. Один из вспомогательных контактов контактора шунтирует кнопку, а другой подключает обмотку реле времени к сети постоянного тока. Якорь реле притягивается и связанные с ним контакты в цепи катушки контактора, они замыкаются. Однако контактор не срабатывает, так как цепь его катушки разомкнута вспомогательными контактами контактора.

Для остановки двигателя нажимают на кнопку «Стоп». Контакты кнопки в цепи катушки контактора размыкаются, контактор срабатывает, его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети переменного тока. Другие контакты кнопки замыкают цепь катушки контактора, контактор срабатывает и своими силовыми контактами подключает обмотку статора двигателя к сети постоянного тока. Реле начинает отсчет времени. По прошествии определенного времени, на которое оно рассчитано, якорь реле отпадает и размыкает свои контакты в цепи катушки контактора. Контактор срабатывает — размыкает свои силовые контакты и отключает двигатель от сети постоянного тока. Схема возвращается в исходное положение — она снова готова к очередному пуску двигателя. Время выдержки реле времени KДТ должно быть несколько больше времени торможения, в противном случае динамическое торможение прекратится раньше, чем двигатель остановится.

Для того чтобы изменить направление вращения вала на противоположное, в обязательном порядке должно быть изменено расположение фаз напряжения, которое подается при питании асинхронного двигателя. Именно для этого и применяется схема реверсивного пуска двигателя, позволяющая полностью выполнить эту функцию. Кроме того, необходимо осуществлять постоянный контроль над значением напряжения, подводимого к двигателю, а также за напряжением, поступающим к катушкам контакторов. Именно контакторы непосредственно участвуют в организации реверсивного движения вала. При срабатывании первого контактора, фазы будут располагаться совершенно иначе, нежели при включении второго контактора.

При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наведет в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

В схеме применяется одновибратор, технический эффект от использования которого заключается в повышении надежности электропривода за счет улучшения работы задающего одновибратора, повышении устойчивости работы асинхронного электродвигателя, формирования пусковых характеристик фазоимпульсным модулированием подводимого к асинхронному электродвигателю (АД) напряжения. Кроме того, повышается точность регулирования электропотребления за счет учета изменения сопротивления обмоток АД при изменении температуры, в повышении надежности.

Цифровой коммутатор предназначен для использования в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей. Устройство снабжено двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока.

Коммутаторы на выходе цифровых компараторов осуществляют коммутацию ШИМ-сигнала между транзисторными ключами.

Силовые ключи выполняют роль электронного коллектора, осуществляя коммутацию секций обмотки якоря.

Разработка модернизированной структурной схемы пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором

На рисунке 2 представлена предложенная модернизированная структурная схема пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором.

Рисунок 2 — Структурная схема модернизированной схемы

Структура модернизированной системы состоит из следующих блоков:

— микроконтроллер- предназначен для управления электронными устройствами системы и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой;

— интерфейс связи- предназначен для подключения элементов передающих или принимающих данные с микроконтроллера;

— драйвер ключей и силовые ключи. Драйвер управления является промежуточным согласующим устройством между схемой управления и силовыми ключами. Драйвер предназначен для выполнения двух основных функций:

Формирование сигнала управления на затворе IGBT в соответствии с командами процессора.

Диагностика состояния (наличие или отсутствие тока перегрузки), своевременное выключение силового транзистора.

— датчик тока предназначен для формирования электрического сигнала, пропорционального силе тока;

— датчик скорости предназначен для информирования схемы управления о скорости вращения двигателя;

— устройство торможения предназначено для быстрого и надежного останова и фиксации асинхронного двигателя в отключенном состоянии, состоит из двух твердотельных реле;

— блоки питания предназначены для преобразования напряжения сети переменного тока в постоянный;

— асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию.

Более подробно работу модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием целесообразно рассмотреть с помощью схемы электрической принципиальной. Принцип ее работы состоит в следующем.

Микросхема DD1 предназначенная для управления асинхронным двигателем, в ходе работы микрконтроллер считывает команды из памяти и исполняет их. Система команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций[3].

Силовые ключи IR2131 предназначены для согласования уровней из TTL-уровней и датчика обратной связи (ОС) (датчик тока ACS758), который включен между минусовым проводом и силовыми ключами (является ОС по току).

Также в схеме предусмотрена RBRAKE – цепь с электролитом в цепи питания и силовым транзистором (VT6), разряжающим эту емкость по сигналу микроконтроллера.

Также предусмотрена цепь датчика перенапряжения с гальванической развязкой (оптопара VТ8).

Принцип управления состоит в использовании инвертора на IGBT транзисторахIRGBC20F, к которому подключается АД мощностью 1.1 кВт.

В схеме также присутствуют твердотельные реле VT7 и VT9: управляющий сигнал подается на светодиод, который при этом передает сигнал далее – на фотодиодную матрицу, при этом обеспечивается гальваническая развязка коммутируемых и управляющих цепей. Напряжение, которое при этом создается, управляется силовым ключом.

Микросхема DD2 поочерёдно выдаёт в линию связи последовательность нулей и единиц, а устройство приёма отслеживает эти данные, запоминая их, происходит передача данных по последовательному двоичному коду.

Рисунок 3- Схема электрическая принципиальная

На основе разработанных структурной схемы и схемы электрической принципиальной были разработаны процессорная и силовая части печатной платы системы (рисунок 4). Габаритные размеры печатной платы процессорной части 145х100х1,5 мм.

Габаритные размеры печатной платы силовой части 130х85х1,5 мм.

а) процессорная часть

б) силовая часть

Рисунок 4- Внешний вид печатных плат процессорной и силовых частей

В данной статье показан вариант модернизации схемы режима пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором. В ходе работы были разработаны схемы структурная и электрическая принципиальная, разработана печатная плата.

В устройстве используется современная, широкодоступная, дешевая элементная база. Применение микроконтроллера в качестве устройства управления и обработки информации значительно сокращает количество элементов. При внедрении данной системы в производство можно существенно сократить время работы, и самое главное, добиться более высокого качества работы объекта управления[4].

Асинхронные электромеханические преобразователи: учеб. по- собие / Сост. Ю.В. Зубков. – 2-е изд. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – 146 с.: ил.

Гольдберг, О.Д. Электромеханика: учеб. / О.Д. Гольдберг, С.П. Хмелевская. – М.: Academia, 2007. – 504 с. 2.

Копылов, И.П. Электрические машины: учеб. / И.П.Копылов. – 5-е изд. – М.: Высшая школа, 2006. – 607 с. 3.

Беспалов, В.Я. Электрические машины: учеб. пособие / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленц. – М.: Academia, 2006. – 313 с.

Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Пуск трехфазных асинхронных двигателей

Содержание материала

При включении трехфазных асинхронных двигателей в сеть возникает вопрос о схеме соединения фаз статорной обмотки. В коробке выводов двигателя обычно шесть концов от трех фаз, что позволяет включать двигатель на два разных напряжения. Выбор схемы соединения — звездой или треугольником фаз двигателя зависит от номинального напряжения сети и номинального напряжения двигателя.
Схему соединения нужно выбрать такую, чтобы на фазу статорной обмотки приходилось номинальное напряжение. Напряжение на фазе двигателя по схеме звезда в 1,73 раза меньше напряжения сети, а по схеме треугольник напряжение на фазе двигателя равно напряжению сети. Так, двигатель с напряжением 380/22С в по схеме звезда должен включаться в сеть с напряжением 380 в и по схеме треугольник — в сеть с напряжением 220 в.
Если выводы фаз имеют обозначения, то соединение по схеме звезда пли треугольник не представляет трудностей. Чтобы фазы соединить звездой, нужно концы С4, С5 и С6 соединить в одну точку, а к началам фаз С1, С2 и С3 подвести напряжение сети. Для соединения фаз обмотки двигателя в треугольник нужно конец одной фазы С4 соединить с началом другой фазы С2, а конец ее С5 соединить с началом третьей фазы С3, конец которой С6 соединить с началом первой фазы. В результате получается три точки (вершины): С1 — С6; С2 — C4 и С3 — С5 к которым подвести напряжение сети.
Труднее со схемами соединения фазных обмоток при отсутствии маркировки выводных концов.
Выводы фаз обмотки проходят через два отверстия в корпусе, в одном из них при правильном распределении выводов будут начала, в другом — концы фаз. Соединение обмотки в звезду в этом случае не представляет трудностей: нужно три вывода из любого отверстия соединить в одну точку. Для соединения схемы треугольником нужно с помощью контрольной лампы определить парные выводы, принадлежащие каждой фазе, и соединить треугольник, помня, что в данном отверстии три начала, в другом — три конца фаз.
Если через три отверстия в корпусе двигателя выходят по два вывода в каждом, один из которых является началом одной фазы, а другой концом следующей фазы, то для получения схемы треугольник необходимо попарно соединить выводы из каждого отверстия. Для соединения схемы в звезду нужно с помощью контрольной лампы определить выводы, принадлежащие каждой из фаз. Затем по одному выводу из каждого отверстия, принадлежащего трем разным фазам, надо соединить в одну точку.
В случае незамаркированных выводов обмотки, выходящих без всякой системы из корпуса двигателя, для правильного соединения схемы можно поступить следующим образом: контрольной лампой определяют выводы каждой фазы, произвольно придав им начало и конец. Далее соединяют соответствующую схему обмотки и включают двигатель в сеть. Если двигатель нормально «не разворачивается», то переключают (перевертывают) одну из фаз и подают питание. Если двигатель все же «не разворачивается», то перевернутую фазу включают по-старому, а другую фазу перевертывают и включают двигатель. После трех таких присоединений исправный асинхронный двигатель нормально «разворачивается».
Пусковые свойства асинхронных двигателей оценивают пусковыми характеристиками:
величиной пускового тока Iп или его кратностью К i, величиной пускового момента Мп или его кратностью продолжительностью и плавностью пуска; экономичностью пусковой операции, то есть сложностью схемы пуска; стоимостью пусковой аппаратуры.
Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляют с помощью пускового реостата, включаемого в цепь роторной обмотки через щетки и контактные кольца при подключении к статору полного напряжения сети (рис. 33). Введение сопротивления в цепь ротора уменьшит пусковой ток и увеличит’ пусковой момент двигателя.
Пусковой реостат увеличивает общее активное и полное сопротивление роторной цепи. Поэтому уменьшается ток ротора при пуске, что уменьшает пусковой ток двигателя (в статоре).
Пусковой момент двигателя имеет выражение

Рис. 33. Схема пуска фазного асинхронного двигателя.

При наличии пускового реостата пусковой ток ротора уменьшается, cos Ψ2π за счет введенного активного сопротивления увеличивается. Кроме этого, несколько увеличивается магнитный поток вследствие уменьшения пускового тока. В результате пусковой момент двигателя увеличивается по сравнению с пуском без пускового реостата.
При разбеге двигателя скорость ротора увеличивается, скольжение, э. д. с. и ток ротора уменьшаются Это вызывает уменьшение момента двигателя. Чтобы не затягивать пуск, нужно выводить сопротивление пускового реостата отдельными ступенями (или плавно), чтобы ток ротора при пуске был бы примерно постоянным, а момент двигателя — близким к максимальному. После полного выведения пускового реостата контактные кольца коротко замыкаются и на этом пуск двигателя закапчивается. В двигателях средней и большой мощности есть щеткоподъемный механизм, с помощью которого поворотом рукоятки кольца замыкают накоротко и поднимают щетки.
Малый пусковой ток и большой пусковой момент — достоинство фазных асинхронных двигателей перед короткозамкнутыми.

Пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей осуществляется при полном номинальном и пониженном напряжении на обмотке статора.
Прямой пуск короткозамкнутых двигателей (рис 34) характеризуется простотой операции. Для пуска достаточно подать напряжение на статорною обмотку включением рубильника, магнитного пускателя.
Существенный недостаток этого способа — большой пусковой ток, он превышает номинальный в 4—7 раз. Большой ток при прямом пуске асинхронного двигателя не опасен для обмотки статора, так как пусковой ток протекает кратковременно, температура нагрева обмотки не успевает достичь значительной величины.

Рис. 34. Схема прямого пуска короткозамкнутого двигателя.

Большой пусковой ток вызывает большую потерю напряжения в питающей сети. Колебание напряжения в сети отрицательно отражается на других потребителях этой сети, особенно это нежелательно при частых пусках двигателей. Включенные лампы сильно уменьшают свой накал, работающие двигатели уменьшают момент и могут остановиться, их перегрузочная способность уменьшается в зависимости от квадрата снижения напряжения. Кроме того, пускаемый двигатель при тяжелых условиях может «не развернуться». В связи с увеличением мощности источников питания и улучшением сетей прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей в настоящее время самый распространенный.
Другие способы пуска короткозамкнутых асинхронных двигателей вызывают уменьшение пускового тока, что достигается уменьшением напряжения на фазе статорной обмотки.

Реакторный способ пуска (рис. 35) осуществляется с применением индуктивного сопротивления. Запускают двигатель так.

Сначала замыкают рубильник 1, ток к статору течет через реактор. Величина пускового тока в этом случае меньше, чем при прямом пуске, так как к двигателю подводится пониженное напряжение за счет потери напряжения в сопротивлении реактора. После разворота ротора реактор шунтируют включением рубильника 2 и на двигатель подают полное напряжение сети.

Недостаток этого способа тот, что уменьшение пускового тока двигателя сопровождается значительным уменьшением пускового момента. Пусковой ток зависит от напряжения в первой степени, а пусковой момент — от квадрата напряжения. Например, если пусковой ток уменьшился в два раза, то пусковой момент уменьшится в четыре раза.

Для уменьшения пускового тока с помощью реактора в общем случае в а раз в сравнении с током прямого пуска двигателя сопротивление реактора подсчитывают по формуле:

где ф — номинальное фазное напряжение двигателя;
Iп — ток двигателя при прямом пуске.

Рис 36. Схема автотрансформаторного пуска двигателя: 1, 2, 3 — рубильники.

Реакторный пуск применяют там, где важно уменьшить пусковой ток, а величина пускового момента не имеет существенного значения.

Автотрансформаторный способ пуска осуществляется от трехфазного автотрансформатора (рис. 36).
Пускают двигатель в такой последовательности. Замыкают рубильник 1, часть обмотки автотрансформатора в этом случае как реактор, двигатель начинает вращаться, если момент сопротивления небольшой.
Затем замыкают рубильник 3, соединяющий звездой обмотки автотрансформатора, и к статору подводят напряжение меньше, чем в сети, в коэффициент трансформации Ка раз. Когда двигатель «развернется» до полного числа оборотов, размыкают рубильник 3 и замыкают рубильник 2 и к двигателю подводят полное напряжение сети.

Рис. 37. Схема пуска асинхронного двигателя переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Автотрансформатор позволяет уменьшить пусковой ток, который потребляет двигатель из сети в К раз. Напряжение на статорной обмотке уменьшается в Ка раз, а пусковой момент в К а раз, то есть при автотрансформаторном пуске ток и момент уменьшаются в одинаковой мере, что выгодно отличает его от реакторного пуска.
Автотрансформатор используют очень кратковременно, в период пуска. Поэтому плотность тока в его обмотках можно допускать значительно большую, чем при работе в обычном режиме. Сложность схемы и большая стоимость аппаратуры ограничивают применение автотрансформаторного пуска лишь двигателями большой мощности.

Рис. 38. Короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми свойствами:
а — паз двигателя с двойной клеткой и потоки рассеяния; б — паз двигателя с глубоким пазом и потоки рассеяния; в — распределение пускового тока в стержнях глубокопазного двигателя.

Пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис. 37) применяют для двигателей, работающих при соединении треугольником. Перед пуском двигателя переключатель П ставят в положение звезды, обмотка статора оказывается соединена звездой. Затем включают рубильник Р и двигатель «раскручивается». После того как ротор двигателя развернется до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение треугольник.
Этот способ пуска уменьшает пусковой ток в три раза, но и пусковой момент уменьшается также в три раза. Пуск двигателя переключением статорной обмотки со звезды на треугольник равноценен автотрансформаторному пуску с коэффициентом трансформации автотрансформатора 1,73. Значительное снижение пускового момента ограничивает применение этого способа лишь для двигателей, пускаемых в холостую или под очень незначительной нагрузкой.
В ряде случаев пусковые характеристики асинхронных двигателей с нормальной клеткой не удовлетворяют требования, что привело к созданию двигателей с улучшенными пусковыми свойствами, большим пусковым моментом при малом пусковом токе.

Двигатели с двойной клеткой.

Ротор такого двигателя с двумя клетками: наружной (пусковой) и внутренней (рабочей), отделенные узкой щелью (рис. 38).
Пусковую клетку делают малого сечения из бронзы или латуни. Рабочую клетку делают большого сечения из меди. Как видно из распределения потоков рассеяния (рис. 38, а), пусковая обмотка обладает малым, рабочая — большим индуктивным сопротивлением.
При пуске момент двигателя обусловлен главным образом пусковой клеткой. По мере разбега двигателя частота в роторе уменьшается, снижается индуктивное сопротивление. Токи в клетках распределяются обратно пропорционально активным сопротивлениям: в рабочей клетке больше, чем в пусковой. В рабочем режиме момент двигателя обусловлен главным образом током нижней клетки. В момент включения двигателя в сеть, когда частота в роторе равна частоте сети, в рабочей клетке за счет большого индуктивного сопротивления ток небольшой, а в пусковой обмотке за счет большего активного сопротивления ток малый. Сравнительно малые токи в роторе обусловливают не очень большой ток статорной обмотки при пуске двигателя. Двигатели с двойной клеткой имеют кратность пускового тока Кi =3—5,5 и кратность пускового момента Кп = 1—3.

Двигатели с глубоким пазом

Двигатели с глубоким пазом имеют узкие и высокие стержни, уложенные в соответствующего сечения пазы ротора (рис. 38, б). В глубоком пазу отдельные элементы стержня по его высоте сцеплены с разным потоком рассеяния, что приводит к вытеснению тока из нижней в верхнюю часть стержня (рис. 38, в). Вытеснение тока тем эффективнее, чем больше частота в роторе. В момент пуска двигателя частота в роторе равна частоте сети. Поэтому вследствие вытеснения ток будет протекать, главным образом в верхней части стержня. В этом случае активно используют лишь часть поперечного сечения стержня, активное сопротивление роторной обмотки возрастает, что равноценно введению сопротивления в цепь ротора в фазном двигателе. По этой причине уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. По мере раскручивания ротора частота уменьшается, вытеснение тока ослабевает, он начинает протекать по все большему сечению стержня, что эквивалентно уменьшению активного сопротивления роторной цепи, как это бывает при выведении сопротивления пускового реостата е фазном двигателе. В рабочем режиме, когда частота в роторе равна нескольким герцам, вытеснение тока практически отсутствует и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.
Пусковые свойства глубокопазных двигателей несколько хуже, чем двухклеточных: при одинаковой кратности пускового тока кратность пускового момента глубокопазного двигателя меньше, чем двухклеточного.
Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами имеют и недостатки: пониженные cos φ и перегрузочная способность из-за большей индуктивности роторной обмотки; пониженный к. п. д. из-за большого активного сопротивления роторной обмотки.

Схема управления асинхронным электродвигателем

Рассмотрим весьма распространенную схему управления асинхронным двигателем при помощи магнитного пускателя.

Устройство однофазного асинхронного двигателя.

На рис.1 приведена схема управления без возможности изменения направления вращения (реверсирования). Нереверсивный магнитный пускатель состоит из трехполюсного контактора и теплового реле.

Проследим устройство и работу вначале силовых (главных) цепей, а затем цепей управления.

Рисунок.1 Схема управления асинхронным короткозамкнутым двигателем при помощи нереверсивного магнитного пускателя.

Силовые цепи. Трехфазный ток к статору электродви­гателяД поступает через трехполюсный рубильник Р. Рубильник дает возможность отключить электродвигатель в случае ремонта или выхода из строя магнитного пускателя. Далее в силовой цепи находятся предохранители 1П, которые помещаются обычно на групповом распределительном щитке; они защищают цепи от корот­ких замыканий. Главные контакты Л трехполюсного линейного контактора включают или отключают обмотку статораэлектро­двигателя. Подключены главные контакты таким образом, чтобы подвижные контакты располагались со стороны двигателя, а неподвижные, всегда находящиеся под напряжением, – со стороны сети, такое подключение повышает безопасность обслуживания. Тепловые реле включаются в две фазы, так как чрезмерно большой ток возможен не менее чем в двух проводах, они служат для защиты двигателя от длительных перегрузок и от работы на двух фазах.

Применение в схеме наряду с тепловыми реле плавких предо­хранителей объясняется тем, что силовые контакты магнитных пускателей допускают разрыв токов перегрузки не больше семи­кратной величины номинального тока электродвигателя, мощность которого допустима в данном пускателе; а на разрыв токов корот­кого замыкания эти контакты не рассчитаны. В силовую цепь включаются нагревательные элементы реле.

Цепи управления. Питание цепи управления осущест­вляется здесь через рубильник и предохранители главной цепи. Кроме того, цепи управления защищены своим одним предохра­нителем 2П, он защищает цепь управления от коротких замыканий. Как видно из схемы, цепь управления питается напряжением такой же величины, что и силовая цепь.

В цепь управления включены кнопки «стоп» и «пуск».

Рисунок 2 Схема управления асинхронным короткозамкнутым двигателем с возможностью реверсирования.

Катушка Л линейного контактора с блок-контактном Л₁ при помощи своих главных контактов Л в силовой цепи осуществляет включение и отключение электродвигателя Д. Далее в цепь управ­ления включены размыкающие контакты (с ручным возвратом) тепловых реле 1РТ и 2РТ, нагревательные элементы которых включены в главную цепь. У некоторых типов тепловых реле име­ются два нагревательных элемента и только один размыкающий контакт, на который может воздействовать посредством рычажной системы каждая из биметаллических пластин.

Схема работает следующим образом. Для пуска двигателя пос­ле включения рубильника Р следует нажать кнопку «пуск». При этом замыкается цепь катушки контактора Л. Ток идет по следую­щей цепи: фаза Л₁ – предохранитель 2П – размыкающая кнопка «стоп» – кнопка «пуск» – катушка контактора Л – размыкающие контакты тепловых реле 1РТ и 2РТ – фаза Л₃. Вследствие того, что по катушке контактора проходит ток, сердечник ее намагни­чивается, якорь втягивается и включает главные контакты. Вы­воды обмотки статора С₁C₂С3 присоединяются к сети питания Л₁, Л₂, Л₃, и двигатель включается. Одновременно с главными контактами замыкаются и блок-контакты так, что цепь катушки контактора замыкается через блок-контакт Л₁ шунтирующий кнопку «пуск». Теперь уже не нужно больше удерживать кнопку в нажатом состоянии; за счет действия пружины она возвращается в исходное положение. Для отключения двигателя следует нажать кнопку «стоп»; при этом питание катушки контактора Л преры­вается, и главные контакты под действием веса или пружины размы­каются и отсоединяют обмотку статора от сети.

Статор трехфазного асинхронного двигателя.

Рассмотренная схема осуществляет и так называемую «нуле­вую» (или минимальную) защиту: при исчезновении или значительном снижении напряжения сети до 35—40% номинального значения контактор отключается и отключает электродвигатель от сети.

При восстановлении напряжения самопуска двигателя уже не произойдет, так как кнопка «пуск» отпущена, а блок-кон­такт Л₁ разомкнут.

В случае длительной перегрузки размыкающий контакт тепло­вого реле 1РТ (2РТ) отключает контактор, а следовательно, и двигатель. После действия реле тепловой защиты (если тепловое реле выполнено по принципу принудительного возврата) для воз­врата контакта реле в исходное положение следует нажать на кноп­ку, которая помещается на крышке пускателя; возврат контактов реле 1РТ (2РТ) после отключения возможен только через время, необходимое для того, чтобы биметаллические пластинки остыли.

Магнитные пускатели изготовляются для управления электродвигателями до 75—100 кВт. Рассмотренная схема может быть собрана также и с контактором. Для асинхронных двигателей напряжением до 500 В обычно применяются трехполюсные контак­торы переменного тока серии КТ с катушкой переменного тюка.

Асинхронный двигатель с фазным ротором.

Для управления механизмами, требующими изменения направления вращения (реверсирования), применяется либо реверсив­ный магнитный пускатель, либо схема управления с двумя контак­торами, мало отличающаяся от схемы реверсивного пускателя.

На рис. 2 приведена схема управления асинхронным корот­козамкнутым двигателем с возможностью реверсирования. Как и схема управления с магнитным пускателем, данная схема допускает дистанционное управление, так как кнопки управления, которых в этой схеме три – «вперед», «назад» и «стоп», можно поместить на некотором расстоянии от двигателя. При помощи схемы, изо­браженной на рис. 2, можно пустить двигатель (и, следова­тельно, связанный с ним механизм), изменить направление вра­щения, остановить его; кроме того, схема осуществляет защиту установки от коротких замыканий, от перегрузки, от падения напряжения в сети (нулевая защита) и от самопуска. В этой схеме совмещаются две схемы нереверсивного пуска и имеются некоторые особенности. Схема снабжена двумя контакторами: контактором «вперед» (катушка и ее три главных контакта обозначены буквой В, а блок-контактыB1и В2) и контактором «назад» (катушка и три главных контакта обозначены буквой Н, а блок-контакты H1 и Н2). Главные контакты контакторов В и Н включены в силовую цепь таким образом, что когда замыкаются контакты В (контакты Н при этом разомкнуты), на обмотку статора подаются три фазы сети в одном порядке, а когда замыкаются контакты Н, две фазы из трех меняются местами. В связи с этим магнитное поле статора двигателя начинает вращаться в обратную сторону, и двигатель реверсируется.

Действительно, при включении контактов В фаза Л₁ сети по­дается на обмотку статора С_1, фаза Л₂ – на С₂, фаза Л₃ – на С_3. Если же замыкаются контакты Н, то фаза Л₁ подается на об­мотку С₃, фаза Л₂ – на С₂ (без изменения), фаза Л₃ – наС_1, следо­вательно, фазы Л₁ и Л₃ меняются местами.

Схема работает следующим образом. Для включения двига­теля в направлении «вперед» нажимается кнопка «вперед»; при этом ток от фазы Л₂ идет по цепи: 1 – 3 – 5 – 7 – 6 – 4 – 2 – фаза Л₃; катушка В замыкает свои главные контакты В, и двигатель вклю­чается на движение «вперед». Для изменения направления враще­ния включается кнопка «стоп», а затем включается кнопка «назад»; при этом ток идет по цепи: фаза Л₂ – 1 – 3 – 9 – 11 – 6 – 4 – 2 – фаза Л₃. Теперь ток уже идет по катушке Н, которая замы­кает свои контакты, и двигатель реверсируется. Одновременное включение обоих контакторов в рассмотренной схеме может при­вести к короткому замыканию в силовой цепи. Если двигатель включить в направлении, например, «вперед» и по ошибке нажать кнопку «назад», то катушка Н также включит свои контакты (кон­такты В были включены ранее, поскольку двигатель работал в направлении «вперед»), в силовой цепи окажутся включенными все шесть главных контактов, что приведет к короткому замыканию в двух фазах (Л₁ и Л₃). Чтобы этого не произошло, в схеме при­меняются двухцепные кнопки «вперед» и «назад»; при нажатии кноп­ки «вперед» одновременно размыкается контакт в цепи катушки Н, и наоборот, если нажать кнопку «назад», то размыкается кон­такт катушки В. Это устройство называется механической блоки­ровкой. Для увеличения надежности работы схемы механической блокировкой снабжаются также якори катушек контакторов, которые имеют специальный рычаг: втягивание якоря одной ка­тушки делает невозможным одновременное втягивание якоря второй катушки.

Кроме механической применяется также электрическая бло­кировка. На рис. 2 кнопки управления «вперед» и «назад» обычные; однако в цепь катушки «вперед» включен размыкающий контакт контактора «назад», и наоборот, в цепь катушки «назад» включен размыкающий контакт контактора «вперед». Если нажать, например, кнопку «назад», то ток пройдет по катушке контактора «назад», контактор замкнет свои замыкающие контакты и разомк­нет свой размыкающий контакт Н2 в цепи катушки В. Следователь­но, пока включена катушка контактора Н, цепь катушки контак­тора В будет разомкнутой, и включить катушку В одновременно с катушкой Н невозможно. Это устройство называется электриче­ской блокировкой. Для увеличения надежности работы схемы одно­временно с электрической применяют механическую блокировку.

(1) Тема 3. Пуск трехфазных асинхронних двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами.

Виктор Мережковский 4 лет назад Просмотров:

1 Тема 3. Пуск трехфазных асинхронних двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. План 1. Пусковые свойства и пусковой ток асинхронных двигателей. 2. Пуск двигателей с фазным ротором: схема пуска, выбор активного сопротивления в цепи ротора во время пуска в зависимости от нагрузки на валу двигателя. 3. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, схема пуска. 1.Пусковые свойства и пусковой ток асинхронных двигателей. Пусковые свойства асинхронного двигателя оцениваются его пусковыми характеристиками: а) величиной пускового тока Iп или его кратностью Iп / I1н ; б) величиной пускового момента Мп или его кратностью Мп/Мн ; в) продолжительностью и плавностью пуска двигателя в ход; г) экономичностью пусковой операции (стоимость и надежность пусковой аппаратуры). В начальный момент пуска скольжение s=1, поэтому, пренебрегая током холостого хода, величину пускового тока Iп можно определить из формулы (20.24), подставив в нее значение s=1 Из выражения (1), а также выражения пускового момента (21.12) следует, что улучшить пусковые свойства двигателя можно путем увеличения активного сопротивления цепи ротора r 2, так как в этом случае уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. В то же время напряжение U1 по-разному влияет на пусковые характеристики: с уменьшением U1 пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства двигателя, но одновременно это вызывает уменьшение пускового момента. Возможность применения того или иного способа улучшения пусковых характеристик определяется условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые к нему предъявляются. 2.Пуск двигателей с фазным ротором: схема пуска, выбор активного сопротивления в цепи ротора во время пуска в зависимости от нагрузки на валу двигателя. В двигателях с контактными кольцами возможно включение в цепь ротора пускового реостата rд, увеличив тем самым активное сопротивление цепи ротора. При этом удается не только снизить величину пускового тока (23.1), но и увеличить (1)

2 Рисунок — 1 Зависимость пускового момента от активного сопротивления в цепи ротора пусковой момент двигателя. Подставив в формулу пускового момента (21.12) вместо r`2 общее активное сопротивление цепи ротора R`2= r`2 + r`д и задаваясь разными значениями r`д, получим зависимость пускового момента от активного сопротивления цепи ротора Mп = f (r`2+r`) (рис. 23.1). Наибольший пусковой момент двигателя соответствует ативному сопротивлению цепи ротора r`2+r`д = x1+x2. При выборе пускового сопротивления r`д должна быть такой, чтобы обеспечить наибольшую величину пускового момента. Так, при значительном нагрузочном моменте величина r`д должна быть такой, чтобы обеспечить наибольшую величину пускового момента. При малых нагрузочных моментах, когда величина пускового момента не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным величину сопротивления r`д выбирать несколько больше той, которая соответствует наибольшему пусковому моменту. В этом случае пусковой момент становится несколько меньше наибольшего, но зато величина пускового тока значительно уменьшается. На рис. 23.2а, показана схема включения пускового реостата ПР в цепь двигателя с контактными кольцами. Ступени пускового реостата переключаются таким образом, чтобы ток ротора в процессе пуска двигателя в ход оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему.

3 Рисунок 2 — Схема включения пускового реостата (а) и построение графика пускового момента (б) асинхронного двигателя с контактными кольцами. На (рис.2б), представлен график изменения пускового момента двигателя при четырех ступенях пускового реостата. Так, в начальный момент пуска (первая ступень) пусковой момент Мп равен ОА. По мере разгона двигателя его момент уменьшается по кривой 1. Как только величина момента станет равной Мп-мин. рычаг реостата передвигают на вторую ступень, соответствующую меньшему сопротивлению реостата. В этом случае зависимость М=f (s) выражается кривой 2, и пусковой момент двигателя увеличивается до значения Мп-мах. Так же переключают рычаг реостата на третью, а затем и на четвертую ступень, при которой процесс пуска заканчивается, и вращающий момент достигает значения, равного противодействующему моменту Мст. Таким образом, в течение всего процесса пуска величина пускового момента остается приблизительно неизменной, равной среднему значению Мп.ср. При этом пусковой ток имеет сравнительно небольшое значение, превышая номинальный ток двигателя лишь в полтора-два раза.

4 Пусковые реостаты изготавливаются из металлической проволоки или ленты, намотанных в виде спирали, или же из чугунного листья. Они могут иметь воздушное или масляное охлаждение. В последних спирали помещены в бак, наполненных маслом. Следует иметь в виду, что пусковые реостаты рассчитаны на кратковременное протекание тока, а поэтому рычаг реостата нельзя долго задерживать на промежуточных ступенях, так как сопротивления реостата могут перегореть. После того как процесс пуска окончен и сопротивления реостата отключены, двигатель работает с короткозамкнутой обмоткой ротора. 3. Пуск в ход двигателя с короткозамкнутым ротором Пуск непосредственным включением в сеть (рис. 23.4). Этот способ пуска отличается от других своей простотой. Однако в момент подключения двигателя к сети в цепи статора возникает большой пусковой ток, в пять-семь раз превышающий номинальный ток двигателя. При малой инерционности исполнительного механизма скорость двигателя очень быстро возрастает до установленного значения, и ток спадает, достигая величины, соответствующей нагрузке двигателя. В этих условиях большой пусковой ток не представляет опасности для двигателя, поскольку он быстро спадает и не может вызвать перегрева обмоток машин. Но значительный бросок тока в цепи двигателя влияет на питающую сеть и при недостаточной мощности последней это влияние может выразиться в заметных колебаниях напряжения сети. Однако при современных мощных энергетических системах и сетях двигатели с короткозамкнутым ротором, как правило, запускаются непосредственным включением в сеть на полное напряжение. При необходимости уменьшения пускового тока применяют какой-либо из способов пуска при пониженном напряжении. Пуск в ход при пониженном напряжении. В соответствии с выражением (23.1) пусковой ток двигателя пропорционален напряжению U1, поэтому уменьшением пускового тока. Имеется несколько способов понижения напряжения U1 в момент пуска. Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником, т.е. у которых фазное напряжение

5 равно напряжению сети, может быть применен пуск в ход переключением обмоток статора со звезды на треугольник (рис. 23.5,а). В момент подключения двигателя к сети переключатель устанавливают в положение звезда, при котором обмотка статора оказывается соединенной звездой. В этом случае фазное напряжение на статоре понижается в 3 раз. Во столько же уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении треугольником он больше фазного в 3 раз. Следовательно, применение способа пуска в ход переключением статора обмотки со звезды на треугольник дает уменьшение пускового (линейного) тока в три раза по сравнению с пусковым током при непосредственном подключении двигателя к сети. После того как ротор двигателя разгонится до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение треугольник. Возникший при этом бросок тока обычно невелик и не влияет на работу сети. Однако описанный способ пуска имеет серьезный недостаток. Дело в том, что уменьшение фазного напряжения в 3 раз при пуске влечет за собой уменьшение пускового момента ограничивается применением этого способа пуска для двигателей, включаемых под нагрузкой на валу. Снижение напряжения U1 при запуске в ход асинхронного двигателя может быть достигнуто также с помощью реакторов или автотрансформаторов. Схема пуска асинхронного двигателя посредством реакторов (реактивных сопротивлений) представлена на рис. 23.5б. Порядок включения следующий. При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. Ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, в которых происходит падение напряжения j I1Xp (здесь Хр индуктивное сопротивление реактора). В результате на выводы статора обмотки двигателя подводится пониженное напряжение U1 = U1 ji1xр. После того как ротор двигателя разгонится и пусковой ток спадет, включают рубильник 2, и двигатель оказывается под полным напряжением сети U1н. Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в U1/U1н раз сопровождается уменьшением начального

6 пускового момента Мп двигателя в (U`1/U1н)² раз. Необходимое сопротивление реактора определяется по формуле н (23.2) где U1н номинальное (фазное) напряжение статорной обмотки; Кр = Iп /Iп отношение пускового тока статора In при пуске двигателя через реактор к пусковому току двигателя Iп при пуске непосредственным включением в сеть; обычно Кр = 0,65. При автотрансформаторном пуске (рис. 23.5, в) вначале замыкают рубильник 1, соединяющий звездой обмотки автотрансформатора. Затем замыкают рубильник 2, и двигатель оказывается включенным на положенное напряжение U1. При этом пусковой ток двигателя, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в Ка раз, где Ка коэффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока, измеренного на выходе автотрансформатора, то он уменьшается в раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток в Ка раз меньше вторичного, а поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет Ка Ка = раз. Так, например, если кратность пускового тока двигателя при его непосредственном включении в сеть равна, а напряжение сети 380 в, то при автотрансформаторном пуске с понижением напряжения до 220 в кратность пускового тока составит После того как ротор двигателя придет во вращение, рубильник 1 размыкают, и автотрансформатор превращается в реактивную катушку. При этом напряжение на выходах статорной обмотки несколько повышается. Включением рубильника 3 на зажимы двигателя подается полное напряжение сети U1н. Таким образом, автотрансформаторный пуск происходит тремя ступенями: на первой ступени к двигателю подводят напряжение, равное 50-70% от номинального; на второй ступени, где трансформатор служит реактором, напряжения составляет 70-80% от номинального. Так как применение автотрансформатора дает уменьшение пускового тока в раз то мощность, на которую должен быть рассчитан пусковой автотрансформатор, где U1н номинальное (фазное) напряжение статорной обмотки;

7 Iп пусковой ток двигателя при пуске непосредственным включением в сеть. Автотрансформаторный способ пуска, как и другие способы пуска асинхронных двигателей, основанные на уменьшении подводимого напряжения, сопровождается уменьшением пускового момента, так как величина последнего прямо пропорциональна квадрату напряжения. С точки зрения пусковых токов и пусковых моментом, автотрансформаторный способ пуска выгоднее реакторного, так как при одинаковом уменьшении напряжения пусковой ток при реакторном способе пуска уменьшается в раз, а при автотрансформаторном способе пуска в раз. Но сложность пусковой операции и высокая стоимость аппаратуры несколько ограничивают применение автотрансформаторного способа пуска асинхронных двигателей. Контрольные вопросы 1. Каким образом осуществляется пуск двигателей с короткозамкнутым ротором. Достоинства и недостатки этого способа. 2. Каким образом осуществляется пуск двигателей с фазным ротором. Достоинства и недостатки этого способа. Литература Кацман М.М. Электрические машины и трансформаторы — М.: Высшая школа, 1971 с

Тема 9.2. Характеристики, пуск и реверс асинхронных двигателей. Однофазные асинхронные двигатели.

Тема 9.. Характеристики, пуск и реверс асинхронных двигателей. Однофазные асинхронные двигатели. Вопросы темы.. Асинхронный двигатель с фазным ротором.. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. 3.

Короткозамкнутый и фазный ротор — в чем различие

Как вы знаете, асинхронные электродвигатели имеют трехфазную обмотку (три отдельные обмотки) статора, которая может формировать разное количество пар магнитных полюсов в зависимости от своей конструкции, что влияет в свою очередь на номинальные обороты двигателя при номинальной частоте питающего трехфазного напряжения. При этом роторы двигателей данного типа могут отличаться, и у асинхронных двигателей они бывают короткозамкнутыми или фазными. Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора — об этом и пойдет речь в данной статье.

Короткозамкнутый ротор

Представления о явлении электромагнитной индукции подскажут нам, что произойдет с замкнутым витком проводника, помещенным во вращающееся магнитное поле, подобное магнитному полю статора асинхронного двигателя. Если поместить такой виток внутри статора, то когда ток на обмотку статора будет подан, в витке будет индуцироваться ЭДС, и появится ток, то есть картина примет вид: виток с током в магнитном поле. Тогда на такой виток (замкнутый контур) станет действовать пара сил Ампера, и виток начнет поворачиваться вслед за движением магнитного потока.

Так и работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, только вместо витка на его роторе расположены медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко между собой кольцами с торцов сердечника ротора. Ротор с такими короткозамкнутыми стержнями и называют короткозамкнутым или ротором типа «беличья клетка» поскольку расположенные на роторе стержни напоминают беличье колесо.

Проходящий по обмоткам статора переменный ток, порождающий вращающееся магнитное поле, наводит ток в замкнутых контурах «беличьей клетки», и весь ротор приходит во вращение, поскольку в каждый момент времени разные пары стержней ротора будут иметь различные индуцируемые токи: какие-то стержни — большие токи, какие-то — меньшие, в зависимости от положения тех или иных стержней относительно поля. И моменты никогда не будут уравновешивать ротор, поэтому он и будет вращаться, пока по обмоткам статора течет переменный ток.

К тому же стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу. Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.

Скольжение s

Для асинхронных двигателей всегда характерно скольжение s, возникающее из-за того, что синхронная частота вращающегося магнитного поля n1 статора выше реальной частоты вращения ротора n2.

Скольжение возникает потому, что индуцируемая в стержнях ЭДС может иметь место только при движении стержней относительно магнитного поля, то есть ротор всегда вынужден хоть немного, но отставать по скорости от магнитного поля статора. Величина скольжения равна s = (n1-n2)/n1.

Если бы ротор вращался с синхронной частотой магнитного поля статора, то в стержнях ротора не индуцировался бы ток, и ротор бы просто не стал вращаться. Поэтому ротор в асинхронном двигателе никогда не достигает синхронной частоты вращения магнитного поля статора, и всегда хоть чуть-чуть (даже если нагрузка на валу критически мала), но отстает по частоте вращения от частоты синхронной.

Скольжение s измеряется в процентах, и на холостом ходу практически приближается к 0, когда момент противодействия со стороны ротора почти отсутствует. При коротком замыкании (ротор застопорен) скольжение равно 1.

Вообще скольжение у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором зависит от нагрузки и измеряется в процентах. Номинальное скольжение — это скольжение при номинальной механической нагрузке на валу в условиях, когда напряжение питания соответствует номиналу двигателя.

Другие статьи про асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором на Электрик Инфо:

Фазный ротор

Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.

Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».

К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат. Краны и лифты, например, пускаются под нагрузкой, и здесь необходимо развивать существенный рабочий момент. Невзирая на усложненность конструкции, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают лучшими регулировочными возможностями касательно рабочего момента на валу, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которым требуется промышленный частотный преобразователь.

Обмотка статора асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется аналогично тому, как и на статорах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, и аналогичным путем создает, в зависимости от количества катушек (три, шесть, девять или более катушек), два, четыре и т. д. полюсов. Катушки статора сдвинуты между собой на 120, 60, 40 и т. д. градусов. При этом на фазном роторе делается столько же полюсов, сколько и на статоре.

Регулируя ток в обмотках ротора, регулируют рабочий момент двигателя и величину скольжения. Когда регулировочный реостат полностью выведен, то для уменьшения износа щеток и колец их закорачивают при помощи специального приспособления для подъема щеток.