Формула работы асинхронного двигателя - Автомобильный журнал
Arskama.ru

Автомобильный журнал
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Формула работы асинхронного двигателя

Принцип работы асинхронного двигателя

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта http://zametkielectrika.ru.

Электрические машины переменного тока нашли широкое распространение, как в сфере промышленности (шаровые мельницы, дробилки, вентиляторы, компрессоры), так и в домашних условиях (сверлильный и наждачный станки, циркулярная пила).

Основная их часть является бесколлекторными машинами, которые в свою очередь разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные и синхронные электрические машины обладают одним замечательным свойством под названием обратимость, т.е. они могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном.

Но чтобы дальше перейти к более подробному их рассмотрению и изучению, необходимо знать принцип их работы. Поэтому в сегодняшней статье я расскажу Вам про принцип работы асинхронного двигателя. После прочтения данного материала Вы узнаете про электромагнитные процессы, протекающие в электродвигателях.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

С устройством асинхронного двигателя мы уже знакомились, поэтому повторяться второй раз не будем. Кому интересно, то переходите по ссылочке и читайте.

При подключении асинхронного двигателя в сеть необходимо его обмотки соединить звездой или треугольником. Если вдруг на выводах в клеммнике отсутствует маркировка, то необходимо самостоятельно определить начала и концы обмоток электродвигателя.

При включении обмоток статора асинхронного двигателя в сеть трехфазного переменного напряжения образуется вращающееся магнитное поле статора, которое имеет частоту вращения n1. Частота его вращения определяется по следующей формуле:

  • f — частота питающей сети, Гц
  • р — число пар полюсов

Это вращающееся магнитное поле статора пронизывает, как обмотку статора, так и обмотку ротора, и индуцирует (наводит) в них ЭДС (Е1 и Е2). В обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции (Е1), которая направлена навстречу приложенному напряжению сети и ограничивает величину тока в обмотке статора.

Как Вы уже знаете, обмотка ротора замкнута накоротко, у электродвигателей с короткозамкнутым ротором, или через сопротивление, у электродвигателей с фазным ротором, поэтому под действием ЭДС ротора (Е2) в ней появляется ток. Так вот взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу Fэм.

Направление электромагнитной силы Fэм можно легко найти по правилу левой руки.

Правило левой руки для определения направления электромагнитной силы

На рисунке ниже показан принцип работы асинхронного двигателя. Полюса вращающегося магнитного поля статора в определенный период обозначены N1 и S1. Эти полюса в нашем случае вращаются против часовой стрелки. И в другой момент времени они будут находится в другом пространственном положении. Т.е. мы как бы зафиксировали (остановили) время и видим следующую картину.

Токи в обмотках статора и ротора изображены в виде крестиков и точек. Поясню. Если стоит крестик, то значит ток в этой обмотке направлен от нас. И наоборот, если точка, то ток в этой обмотке направлен к нам. Пунктирными линиями показаны силовые магнитные линии вращающегося магнитного поля статора.

Устанавливаем ладонь руки так, чтобы силовые магнитные линии входили в нашу ладонь. Вытянутые 4 пальца нужно направить вдоль направления тока в обмотке. Отведенный большой палец покажет нам направление электромагнитной силы Fэм для конкретного проводника с током.

На рисунке показаны только две силы Fэм, которые создаются от проводников ротора с током, направленным от нас (крестик) и к нам (точка). И как мы видим, электромагнитные силы Fэм пытаются повернуть ротор в сторону вращения вращающегося магнитного поля статора.

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен от нас (крестик).

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен к нам (точка).

Совокупность этих электромагнитных сил от каждого проводника с током создает общий электромагнитный момент М, который приводит во вращение вал электродвигателя с частотой n.

Отсюда и произошло название асинхронный двигатель. Частота вращения ротора n всегда меньше частоты вращающегося магнитного поля статора n1, т.е. отстает от нее. Для определения величины отставания введен термин «скольжение», который определяется по следующей формуле:

Выразим из этой формулы частоту вращения ротора:

Пример расчета частоты вращения двигателя

Например, у меня есть двигатель типа АИР71А4У2 мощностью 0,55 (кВт):

  • число пар полюсов у него равно 4 (2р=4, р=2)
  • частота вращения ротора составляет 1360 (об/мин)

Определим частоту вращения поля статора этого двигателя при частоте питающей сети 50 (Гц):

Найдем величину скольжения для этого двигателя:

Кстати, направление движения вращающегося магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения вала электродвигателя, можно изменить. Для этого необходимо поменять местами любые два вывода источника питающего трехфазного напряжения. Об этом я упоминал Вам в статьях про реверс электродвигателя и чередование фаз.

Принцип работы асинхронного двигателя. Выводы

Зная принцип работы асинхронного двигателя, можно сделать вывод, что электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала электродвигателя.

Читать еще:  Чем отмыть двигатель мото урал

Частота вращения магнитного поля статора, а следовательно и ротора, напрямую зависит от числа пар полюсов и частоты питающей сети. Если число пар полюсов ограничивается типом двигателя (р = 1, 2, 3 и 4), то частоту питающей сети можно изменить в большем диапазоне, например, с помощью частотного преобразователя.

Если в нашем примере частоту питающей сети увеличить всего на 10 (Гц), то частота вращения магнитного поля статора увеличится на 300 (об/мин).

Опыт по установке и монтажу частотных преобразователей у меня есть, но не большой. Несколько лет назад на городском водоканале мы проводили замену двух высоковольтных двигателей насосов холодной воды на низковольтные двигатели с частотными преобразователями. Но это уже отдельная тема для разговора. Сейчас покажу Вам несколько фотографий.

Вот фотография старого высоковольтного двигателя напряжением 6 (кВ).

А это новые двигатели напряжением 400 (В), установленные вместо старых высоковольтных.

Вот шкафы частотных преобразователей. На каждый двигатель свой шкаф. К сожалению, изнутри сфотографировать не успел.

Подписывайтесь на рассылку новостей с моего сайта, чтобы не пропустить самое интересное. В ближайшее время я расскажу Вам про пуск и способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей двигателей, схемы их подключения и многое другое.

Формула работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина переменного тока в двигательном режиме, у которой частота вращения магнитного поля статора больше чем частота вращения ротора.

Принцип работы берет основу из создания вращающегося магнитного поля статора, о чем подробнее вы можете почитать из указанной ссылки.

Асинхронные двигатели – одни из самых распространённых электрическим машин, и зачастую являются одним из основных преобразователей электрической энергии в механическую энергию. Самым большим достоинством является отсутствие контакта между подвижными и подвижными частями ротора, я имею ввиду электрический контакт, к примеру, в двигателях постоянного тока через щетки и коллектор. Однако это справедливо только к АД с короткозамкнутым ротором, в асинхронных двигателях с фазным ротором, этот контакт имеет место, но об этом чуть позже.

Конструкция асинхронного двигателя.

Рассмотрим конструкцию, примером послужит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, но так же существует фазный тип ротора. Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора между которыми воздушный зазор. Статор и ротор в свою очередь еще имеют так называемые активные части – обмотка возбуждения (отдельно статорная и отдельно роторная) и магнитопровод (сердечник). Все остальные детали АД, такие как: вал, подшипники, вентилятор, корпус, и т.п. – чисто конструктивные детали, обеспечивающие защиту от окружающей среды, прочность, охлаждение, возможность совершать вращение.

Рисунок 1 – Конструкция асинхронного двигателя.

Статор представляет собой трёх (или много)-фазную обмотку, проводники которой равномерно уложены в пазах по всей окружности, с угловым расстоянием в 120 эл. градусов. Концы обмотки статора обычно соединяют по схемам «звезда» или «треугольник», и подключаются к сети питающего напряжения. Магнитопровод выполняется из электротехнической шихтованной (набрано из тонких листов) стали.

Как я уже сказал ранее, в асинхронном двигателе существует всего 2 типа роторов: это фазный тип ротора, и короткозамкнутый. Магнитопровод ротора также выполнен из шихтованной электротехнической стали. Короткозамкнутый ротор имеет вид так называемой «беличьей клетки» из-за схожести своей конструкции на эту клетку. Состоит эта клетка из медных стержней, которые накоротко замкнуты кольцами. Стержни непосредственно вставлены в пазы сердечника ротора. Для улучшения пусковых характеристики АД с таким типом ротора, применяют специальную форму паза, это дает возможность использования эффекта вытеснения тока, что влияет на увеличение активного сопротивления роторной обмотки при пуске (больших скольжения). Сами по себе, АД с короткозамкнутым ротором имеют малый пусковой момент, что пагубно сказывается на области их использования. Наибольшее распространение они нашли в системах которые не требуют больших пусковых моментов. Однако, данный тип ротора отличается тем, что на его обслуживание тратится меньше средств чем на обслуживание двигателя с фазным ротором, вследствие отсутствия физического контакта в типе ротора беличья клетка.

Рисунок 2 – Ротор АД «беличья клетка»

Фазный ротор состоит из трёхфазной обмотки, зачастую соединенной по схеме «звезда», и выведенную на контактные кольца, которые вращаются вместе с валом. Щетки выполнены из графита. Фазный ротор дает много преимуществ, таких как пуск звезда-треугольник, регулирование частоты вращения изменением сопротивления ротора.

Подробнее рассмотреть механическую характеристику в моей ранней статье, а так же способы пуска с реверсом .

К тормозным режимам стоит отнести несколько основных:

Асинхронный двигатель имеет низкую стоимость, надёжен, и очень дешевый в обслуживании, особенно если он выполнен с короткозамкнутым ротором.

Расчет асинхронного двигателя

Вы будете перенаправлены на Автор24

Асинхронный двигатель: режимы работы, способы управления

Асинхронный двигатель – это электрический двигатель переменного тока, у которого частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Читать еще:  Давление в старом двигателе

К достоинствам асинхронных двигателей относятся:

  1. Возможность включения в сеть без преобразователей.
  2. Простота изготовления.
  3. Относительно низкие эксплуатационные затраты.
  4. Относительно низкая стоимость.
  5. Высокая степень надежности.

Достоинства асинхронного двигателя обусловлены отсутствием механических коммутаторов в цепи ротора. К недостаткам асинхронных двигателей относятся:

  1. Низкий коэффициент мощности.
  2. Небольшой пусковой момент.
  3. Зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети.
  4. Отсутствие возможности регулирования скорости при подключении к сети.

Асинхронный двигатель может управляться несколькими способами.

Реостатный способ управления подразумевает изменение частоты вращения асинхронного двигателя посредством изменения сопротивления реостата в цепи ротора, что также способствует увеличению критического скольжения и пускового момента.

Частотный способ управления заключается в изменении частоты вращения двигателя при помощи изменения частоты электрического тока в сети питания. Для осуществления частотного способа управления используется частотный преобразователь.

Управление работой асинхронного двигателя также может осуществляться путем переключения обмоток с одной схемы на другую (звезда — треугольник). К самым распространенным способам относятся импульсный и амплитудно-частотный способы, а также изменение числа пар полюсов и фазовое управление.

Существуют четыре основных режима работы асинхронного двигателя:

  • режим холостого хода,
  • режим противовключения,
  • генераторный режим,
  • двигательный режим.

Двигательный режим работы характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от точки пуска до точки, являющейся идеальной точкой идеального холостого хода. Для того, чтобы асинхронный двигатель функционировал в режиме генератора необходим источник реактивной мощности, для создания магнитного поля. В генераторном режиме значения скольжения меньше нуля. Режим холостого хода электрического двигателя возникает в том случае, если на валу отсутствует нагрузка в виде рабочего органа и редуктора. Если изменяется направление вращения магнитного поля или ротора таким образом, чтобы они вращались в противоположных направлениях, электродвижущая сила, а также активная составляющая тока в обмотке ротора те же, как и двигательном режиме. Но в режиме противовключения электромагнитный момент будет направлен к моменту нагрузки, что делает его тормозящим.

Готовые работы на аналогичную тему

Редуктор – это механизм, чья основная задача заключается в уменьшении усилия, которое необходимо для привода устройства.

Асинхронные двигатели активно используются в водоснабжении, теплоснабжении, компрессорных установках и системах вентиляции и кондиционирования. Так как они обладают плавной регулировкой скоростей, то при их применении часто можно отказаться от использования редукторов, дросселей, вариаторов, что способствует уменьшению эксплуатационных затрат.

Методика расчета параметров асинхронного двигателя

До расчета основных характеристики и параметров асинхронного двигателя выбираются его основные размеры, к которым относятся количество пар полюсов, внутренний диаметр двигателя, длина сердечника, внешний и внутренний диаметр статора, а также высота оси вращения.

При расчете параметров асинхронного двигателя сначала определяется величина механических потерь, значение которой, в зависимости от модели двигателя, находится в диапазоне, определяемом следующим образом:

$Рпотерь = (0,01 . 0,05) * Рн$

где, Рн — номинальная мощность двигателя.

Номинальное значение тока статора асинхронного двигателя рассчитывается по следующей формуле:

Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Где: Uн — номинальное линейное напряжение двигателя; cosфн — коэффициент мощности в номинальном режиме работы; КПДн — коэффициент полезного действия в номинальном режиме.

Следующим параметром, который необходимо рассчитать, является сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя:

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Где: R’1 — активное сопротивление обмотки статора в номинальном режиме работы двигателя.

Далее определяется активное приведенное сопротивление обмотки ротора асинхронного двигателя для установившегося номинального режима работы и для режима прямого пуска. Для установившегося номинального режима формула выглядит следующим образом:

Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Где: R’’2 — приведенное к обмотке статора активное сопротивление обмотки ротора в номинальном режиме.

Для режима прямого пуская формула выглядит следующим образом:

Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где: R’’2n — активное сопротивление обмотки ротора при коротком замыкании приведенное к обмотке статора.

Затем рассчитываются индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора асинхронного двигателя. Для установившегося номинального режима формула имеет следующий вид:

Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Где: X’1 — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в номинальном режиме; X’’2 — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, которое приведено к обмотке статора; п = 3,14; fn — частота сети.

Для режима прямого хода используется следующая формула:

Рисунок 6. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где: Хкп — индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Далее рассчитывается индуктивность цепи намагничивания асинхронного двигателя в номинальном режиме:

Рисунок 7. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где: Xu — главное индуктивное сопротивление

Индуктивность цепи намагничивания для пускового режима асинхронного двигателя необходимо уменьшить на 30-40 %

Читать еще:  Аккорд сс7 сколько масла в двигателе

Коэффициент вязкого трения рассчитывается по следующей формуле:

$F = Pпотерь / (2п * (nн / 60)$

где: nн — номинальная частота вращения.

Номинальная частота вращения асинхронного двигателя рассчитывается по следующей формуле:

где: no — синхронная частота вращения; Sn — номинальное скольжение

Расчет асинхронного двигателя является важной составляющей процесса проектирования не только самого двигателя, но и промышленного объекта. Данный двигатель является важным элементом многих производственных и технологических процессов, от качества протекания которых во многом зависит качество готовой продукции.

Работа асинхронного двигателя под нагрузкой

§ 92. РАБОТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОД НАГРУЗКОЙ

В рабочем режиме ротор двигателя вращается с числом оборо­тов в минуту n2, меньшим числа оборотов n1 магнитного поля ста­тора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую скорость, скользит относитель­но ротора с числом оборотов, равным разности чисел оборотов поля и ротора, т. е.

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S.

Скольжение представляет собой отношение числа оборотов магнитного поля статора относительно вращающегося ротора к числу оборотов поля статора в пространстве, т. е.

Эта формула определяет скольжение в относительных едини­цах. Скольжение может быть также выражено в процентах:

Если ротор неподвижен (n2=0), то скольжение равно единице или 100%.

Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, т. е. с одинаковой скоростью (n2=n1), то скольжение равно нулю.

Таким образом, чем больше скорость вращения ротора, тем меньше скольжение.

В рабочем режиме асинхронного двигателя скольжение мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3—5%, т. е. ротор вращается с числом оборо­тов, незначительно отличающимся от числа оборотов магнитного поля статора.

При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, сколь­жение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.

Скорость вращения ротора можно определить из следующих соотношений:

Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя Мвр будет равен тормозному моменту на валу двигателя Мтор, который развивает приемник механической энер­гии, например, резец токарного станка. Следовательно, можно записать:

Любой нагрузке машины соответствует определенное число обо­ротов ротора т2 и определенное скольжение S.

Магнитное поле статора вращается относительно ротора с чис­лом оборотов n8 и индуктирует в его обмотке э. д. с. Е2, под дей­ствием которой по замкнутой обмотке ротора протекает ток силой I2.

Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тор­мозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент окажется больше вращающего. Это приведет к уменьшению скорости вращения ротора, а следовательно, к уве­личению скольжения. С увеличением скольжения магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора чаще, э. д. с. E2, индуктированная в обмотке ротора возрастет, а в силу этого увеличится как сила тока в роторе, так и развиваемый двигателем вращающий момент. Увеличение скольжения и силы тока в ротор; будет происходить до значений, при которых вновь наступит равновесие моментов, т. е. вращающий момент станет равным тормоз­ному.

Так же протекает процесс изменения числа оборотов ротора и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя, С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению скорости вращения ротора или к уменьшению скольжения. В результате уменьшаются э.д. с. и сила тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент, который вновь становится равным тормозному моменту.

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ней э.д. с. Е1 которая уравновешивает приложен­ное напряжение сети U1.

Если пренебречь падением напряжения в сопротивлении обмотки статора, которое мало по сравнению с э.д.с, то между абсо­лютными значениями приложенного напряжения и э. д. с. обмотки статора можно допустить приближенное равенство, т. е.

Таким образом, при неизменном напряжении сети будет неиз­менна и э.д.с. обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как в трансформаторе, при любом изменении нагрузки остается постоянным.

Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, которое направлено навстречу магнитному полю, образуемому током обмот­ки статора. Чтобы результирующий магнитный поток в машине оставался неизмененным при любом изменении нагрузки двига­теля, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки статора. Поэтому при увеличении силы тока в обмотке ротора увеличивается и сила тока в обмотке статора.

Таким образом, работа асинхронного двигателя принципиально подобна работе трансформатора, у которого при увеличении тока во вторичной обмотке увеличивается ток в первичной обмотке.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector