Устройство,принцип действия, режимы работы АМ

Неподвижная часть АМ, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр (сердечник статора) с продольными пазами на внутренней поверхности, располагаемый внутри одного из элементов оболочки машины, называемого станиной. В пазах сердечника статора уложена обмотка статора. Сердечник статора изготовлен из листовой электротехнической стали Листы электротехнической стали изолированы друг от друга. Вращающаяся часть АМ, называемая ротором, располагается во внутренней полости сердечника статора и состоит из сердечника ротора, обмотки и вала. Ротор и статор разделены воздушным зазором. На наружной поверхности сердечника ротора имеются продольные пазы, в которых размещается обмотка ротора. Ротора могут выполняться двух видов: фазные и к.з.. Обмотка фазного ротора подобна обмотке статора, и клеммы начал ее фаз электрически соединяются с контактными кольцами на валу, изолированными друг от друга и от вала. Обмотка к.з. ротора отливается из сплава алюминия. Сплав заполняет пазы сердечника ротора и электрически соединяет их между собой торцевыми замыкающими. На валу расположены два подшипника, устанавливаемые в подшипниковых щитах,которые крепятся к станине. На станине располагается коробка выводов, внутри которой закреплены клеммы обмотки статора и к ним подводится питающее напряжение. Вращающееся поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС.и т.к. обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодеиствие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы F_ПР, направление которых определяется по правилу левой руки.Силы F_ПР стремятся повернуть ротор в направлении вращения магн. Поля статора. Совокупность сил F_ПР , приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение со скоростью п₂.Скорость вращения ротора п₂ АД всегда меньше скорости вращения поля п₁. Разность скоростей ротора и вращающегося поля статора характеризуется скольжением S=(n₁-n₂)/n₁.

Двигательный режим. Под действи­ем электромагнитного вращающего момента ротор АД приходит во вращение с частотой п2<п1 в сторону вращения поля статора. Если вал АД ме­ханически соединить с валом какого-либо исполни­тельного механизма, то врашаюший момент двигателя М преодолев противодействующий момент Мнагр исполнительного механизма(ИМ), приведет меха­низм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механиче­скую мощность P2 и передается ИМ. Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор АМ посредством приводного двигате­ля(ПД), являю­щегося источником механической энергии, вращать в направле­нии вращения магнитного поля статора с частотой п2>п1, то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное (по сравнению с двигательным режимом ра­боты этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Элек­тромагнитный момент на роторе М также изменит свое направ­ление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращаю­щемуся моменту приводного двигателя М. В этом случае мех. мощность ПД в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р2 переменного тока. Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного АД поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор АМ под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направле­нии. Другими словами, ротор и поле статора АМ будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент АМ, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тор­мозящее действие. Этот режим работы АМ называется электромагнитным торможением противо­включением. Активная мощность, поступающая из сети в АМ при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию меха­нической мощности вращающегося ротора, т. е. на его тормо­жение.

 

10.Двигательный режим работы АД.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфаз­ного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращаю­щимся магнитным полем на роторе возникают эле­ктромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действи­ем которого ротор АД приходит во вращение с частотой п2<п1 в сторону вращения поля статора. Если вал АД ме­ханически соединить с валом какого-либо исполни­тельного механизма, то вращающий момент двигателя М преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр исполнительного механизма, приведет меха­низм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механиче­скую мощность P2 и передается исполнительному механизму. АД описывается уравнениями:

 

где ток ротора, приведенный к обмотке статора. Для АД можно построить век­торную диаграмму. Основанием для построения этой диаграммы являются уравнение токов и уравнения напряже­ний обмоток статора и ротора. Векторные диаграммы для cтроится для одной фазы по основным ур – ям транса. При построении считаем что все величины необходимые для построения заданы. Вектор I₀ опережает по фазе Ф на угол , Е₁ и Е₂ отстают по фазе от Ф на 90 град. Вектор I’₂ отстает по фазе от Е’₂ на

Уравнениям напряжений и токов, а также векторной диаграм­ме асинхронного двигателя соответствует электрическая схема замещения асинхронного двигателя(Т). Магнитная связь обмоток статора и ротора в асинхронном двигателе на схеме замеще­ния заменена электриче­ской связью цепей статора и ротора. Активное сопро­тивление R₂’=(1 - S)/S можно рассматривать как внеш­нее сопротивление, вклю­ченное в обмотку непо­движного ротора.

Преобразование электрической энергии в механи­ческую в АД связано с потерями энер­гии, поэтому полезная мощность на выходе двига­теля Р2 всегда меньше мощности на входе (потреб­ляемой мощности) P1 на величину потерь S Р:

Потери разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя маг­нитные, электрические и механические.

Магнитные потери Рм в АД вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания.Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора прохо­дящими по ним токами. Величина этих потерь про­порциональна квадрату тока в обмотке:

Рэ1 эл. потери в об-ке статора, Рэ2 эл. потери в об-ке ротора

Механические потери Рмех — это потери на трение в подшип­никах и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора.Добавочные потери включают в себя все виды трудноучиты­ваемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных дви­гателей принимают равными 0,5 % от подводимой к двигателю мощности Р₁.

11.Двигательный режим работы АД.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфаз­ного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращаю­щимся магнитным полем на роторе возникают эле­ктромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действи­ем которого ротор АД приходит во вращение с частотой п2<п1 в сторону вращения поля статора. Если вал АД ме­ханически соединить с валом какого-либо исполни­тельного механизма, то вращающий момент двигателя М преодолев противодействующий (нагрузочный) момент Мнагр исполнительного механизма, приведет меха­низм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р1, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механиче­скую мощность P2 и передается исполнительному механизму. АД описывается уравнениями:

 

где ток ротора, приведенный к обмотке статора.

Уравнениям напряжений и токов, а также векторной диаграм­ме асинхронного двигателя соответствует электрическая схема замещения асинхронного двигателя(Г),у которой намагничиваю­щий контур (Z₀= R₀ + jХ₀) вынесен на входные зажимы схемы замещения. Чтобы при этом намагничивающий ток Iо не изменил своего значения, в этот контур последовательно включают сопро­тивления обмотки статора R1 и Х1. Полученная таким образом схема удобна тем, что она состоит из двух параллельно соединенных контуров: намагничивающего с током Iо и рабочего с током -I2.Расчет параметров рабочего контура Г-образной схемы заме­щения требует уточнения, что достигается введением в расчетные формулы коэффициента C₁, представляющего собой отношение напряжения сети U1 к ЭДС статора Е1при идеальном холостом хх.Обычно принимают С₁=1. На основании схемы замещения можно рассматривать баланс реактивных мощностей АД.Из первичнои цепи потребляется реактивная мощность Q₁=m₁U₁I₁sinj₁.На создание полей рассеяния первичной цепи расходуется реак. Мощность q₁=m₁I₁²x₁.Реактивная мощность Qм=m₁I₀²x₀ расходуется на создание основного маг. поля машины, а мощность q₂=m₂I₂²x₂ на создание вторичных полеи рассеяния. Рабочие хар-ки снимаются при U₁=U_Н=const,f₁=f_Н= const.

Т.к. с ростом Р₂ нагрузка на ротор двигателя увеличивается то ротор начинает притормаживаться и обороты его уменьшаются (п₂ уменьшается). Зависимость полезного момента на валу АД от мощности определяется вырожением М₂~Р₂/п₂ и следовательно с ростом Р₂ (из-за уменьшения п₂) М₂ растет быстрее чем по прямои пропорциональной зависимости. Т.к. в АД ток статора имеет реактивную составляющую для создания магнитного поля статора cos АД меньше 1. Наименьшее значение cos cоответствует режиму х.х. Величина тока х.х. при любой нагрузке остается практически неизменной. При увеличении нагрузки на вал двигателя растет активная составляющая тока I₁. В этом случае cos возрастает достигая наибольшей величины при нагрузке близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cos что объясняется увеличением индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения. При Р₂=0 существует потери хх(Р₀) и ток хх(I₀). С ростом Р₂ за счет увеличения переменных потерь(в их создании участвует ток I₁) хар-ки Р₁=f(Р₂) и I₁=f(Р₂) растут быстрее чем по прямой пропорц. зависимости. Скольжение с ростом Р₂ увеличивается из-за уменьшения п₂ (S=1-(п₁/п₂)). Зависимост ь h=f(Р₂) имеет мах при нагрузке, когда пост. потери становятся равными переменным.

 

 

Пуск АД с кз ротором.

Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора, и механически связанных с ним частей исполнительного механизма, из состояния покоя в состояние равномерного вра­щения, когда вращающий момент двигателя уравно­вешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь значением пускового тока Iп или его кратностью I_П/Iном и значением пускового мо­мента Мп или его кратностью Мп/М_НОМ. В начальный момент пуска скольжение s=l, поэтому, пренебрегая током х. х., пусковой ток мож­но определить:

Пусковой момент по

При пуске АД должны соблюдаться следующие требования.

1) АД должен развивать достаточно большой пусковой момент, достаточный для преодоления статического момента сопротивления на валу. 2) Величена пускового тока должна быть ограничена такой величиной, чтобы не происходило повреждения АД и нарушения нормального режима работы сети. Помимо пусковых значений тока и момента пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями: продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой опе­рации, ее экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры и потери энергии в ней).

 

Способы пуска: Пуск непосредственным включением в сеть Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный недоста­ток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке статора возникает большой пусковой ток, в 5—7 раз превышающий номинальный ток двигателя.

Пуск при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напря­жению уменьшение которого вызывает соответствующее уменьшение пускового тока. Существует несколько способов понижения подводимого к двигателю напряжения: 1)реакторный способ,

2)автотрансформаторный(При этом пусковой ток двигателя, измерен­ный на выходе автотрансформатора, уменьшается в к_А раз, где к_А — коэффициент трансформации автотрансформатора.),

3) пуск переключением звезда-треугольник(В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в Ö3 раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя.)

Более универсальным является способ пуска понижением подводимого к двигателю напряженияпосредством реакторов (реактивных катушек—дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий. При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, на которых происходит падение напряжения jInXp (где Хр — индуктивное сопротивление реактора). В результате на об­мотку статора подается пониженное напряжение U₁’ = U_НОМ - jInXp. После разгона ротора двигателя включают рубильник 2 и подводимое к обмот­ке статора напряжение оказывается номиналь­ным. Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в U₁’/U_НОМраз сопровождается уменьшением пускового момента Мп в ( U₁’/U_НОМ )² раз.

 

 

Пуск АД с фазным ротором

При пуске АД должны соблюдаться следующие требования.

1) АД должен развивать достаточно большой пусковой момент, достаточный для преодоления статического момента сопротивления на валу. 2) Величена пускового тока должна быть ограничена такой величиной, чтобы не происходило повреждения АД и нарушения нормального режима работы сети. Помимо пусковых значений тока и момента пусковые свойства двигателей оцениваются еще и такими показателями: продолжительность и плавность пуска, сложность пусковой опе­рации, ее экономичность (стоимость и надежность пусковой аппаратуры и потери энергии в ней). Наличие контактных ко­лец у двигателей с фазным рото­ром позволяет подключить к об­мотке ротора пусковой реостат (ПР). При этом активное сопро­тивление цепи ротора увеличива­ется до значения R₂=r₂’+r_д’, где r_д’ — электрическое сопротивление пускового реостата, приведенное к обмотке статора. Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом, обусловленным переходом ротора, и механически связанных с ним частей исполнительного механизма, из состояния покоя в состояние равномерного вра­щения, когда вращающий момент двигателя уравно­вешивается суммой противодействующих моментов, действующих на ротор двигателя.

Пусковые свойства двигателя определяются в первую очередь значением пускового тока Iп или его кратностью I_П/Iном и значением пускового мо­мента Мп или его кратностью Мп/М_НОМ. В начальный момент пуска скольжение s=l, поэтому, пренебрегая током х. х., пусковой ток мож­но определить:

Пусковой момент по

При выборе сопротивления пускового реостата r_д’ исходят из условий пуска двигателя: если двигатель включают при зна­чительном нагрузочном моменте на валу, сопротивление пуско­вого реостата выбирают таким, чтобы обеспечить наиболь­ший пусковой момент, если же двигатель включают при небольшом нагрузочном моменте на валу, когда пусковой момент не имеет решающего значения для пуска, оказывается целесообразным сопротивление r_д’ выбирать несколько больше значения, соответствующего наи­большему пусковому моменту. В этом случае пусковой момент оказывается несколько меньшим наи­большего значения, но зато величина пускового тока значительно уменьшается. В процессе пуска двигателя ступени ПР переклю­чают таким образом, чтобы ток ротора оставался приблизительно неизменным, а среднее значение пускового момента было близко к наибольшему. Так, в начальный момент пуска (первая ступень рео­стата) пусковой момент равен Мпмакс. По мере разгона АД его момент уменьшается по кривой 1. Как только значение момента уменьшится до значения Mпmin, рычаг реостата перево­дят на вторую ступень и сопротивление реостата уменьшается. Теперь зависимость М=f(s ) выражается кривой 2 и пусковой момент двигателя вновь достигает Мпмакс. Затем ПР переключают на третью и на четвертую ступени (кривые 3 и 4). После того как электромагнитный момент двигателя уменьшится до значе­ния, равного значению противодействующего момента на валу двигателя, частота вращения ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. В течение всего процесса пуска значение пускового момента остается приблизительно постоянным, равным Мп.ср. Следует иметь в виду, что при слишком быстром переключении ступеней реостата пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений.