Асинхронный двигатель постоянного тока

Асинхронный двигатель постоянного тока двигатель

/ электротехника контрольные + лекции / Весна 2012 / 2 Семестр (Электрические машины и электроника) / Лабораторные работы / Лаборатория N 331 / Асинхронный двигатель

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва 2011

Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методического пособия редакционно-издательским советом МГУПИ

Рецензенты:

Д.т.н. профессор – Филинов В.В. (МГУПИ)

ст. преподаватель – Щеглов В.А. (МГУПИ)

Микаева С.А.

Трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда»: учебно-методическое пособие. - М. МГУПИ, 2011.- 25 с.

Рассматриваются вопросы устройства, принципа действия, рабочие и механические характеристики асинхронного двигателя.

Асинхронный двигатель постоянного тока магнитного поля

Учебно-методическое пособие предназначено для специалистов в области приборостроения и радиоэлектроники, инженерно-технических и научных работников, занятых разработкой, производством и применением электрических машин, а также студентов специальности «Приборостроения и радиоэлектроники (ПР)».

Цель работы:

Асинхронный двигатель постоянного тока двигатель

Ознакомиться с устройством, принципом действия трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором и соединением обмоток типа «Звезда», овладеть навыками работы с электрическими машинами. Снять основные характеристики двигателя.

Требуемое оборудование:

Модульный учебный комплекс МУК-ЭП1

1. Краткое теоретическое введение.

Двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую с целью приведения в действие исполнительного механизма.

Генератор предназначен для преобразования механической энергии в электрическую с целью питания различных электрических устройств.

Любая электрическая машина (генератор, двигатель) имеет две основные части: неподвижный статор и вращающийся ротор, которые содержат магнитопровод и обмотки. В машинах постоянного тока ротор называется якорем (Я). а обмотка статора называетсяобмоткой возбуждения (ОВ).

Асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии 3-х фазного переменного тока в механическую энергию. Асинхронный двигатель (рис. 1а.) состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора.

Статор (рис. 1б.) представляет собой полый цилиндр, составленный из изолированных листов электротехнической стали в форме колец, со штампованными пазами с внутренней стороны, в которые укладывается 3-х фазная статорная обмотка, оси которых смещены относительно друг друга на 120°, 60°, 40° в зависимости от количества катушек.

Ротор представляет собой также цилиндр, составленный из листовой электротехнической стали в форме колец, с пазами на их внешней поверхности, в которые укладывается роторная обмотка. В зависимости от ее устройства различают:

1) короткозамкнутый ротор (рис. 1в.) - обмотка короткозамкнутого ротора (рис. 1г.) выполняется в виде беличьего колеса и состоит из уложенных в пазы неизолированных стержней, которые по обеим сторонам замыкаются на кольца;

2) фазный ротор (ротор с контактными кольцами) (рис. 1д.) - обмотка фазного ротора1 выполняется 3-х фазной, концы которой выводятся на контактные кольца2 и подключаются к 3-х фазному реостату.

В большинстве случаев используется двигатель с короткозамкнутым ротором, как более простой и компактный. Двигатель с фазным ротором используется в тяжелых пусковых условиях, в частности в подъемных устройствах, а также в исполнительных механизмах, использующих широкий диапазон частот вращения.

Обмотки статора соединяются «звездой» или «треугольником» и включаются в сеть 3-х фазного тока. В результате в них потекут 3-х фазные токи, которые создадут вращающееся магнитное поле.

Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора пересекают проводники ротора и индуцируют в них электродвижущую силу (ЭДС ), а так как обмотка ротора замкнута, то в ее проводниках возникают токи.

Взаимодействие вращающегося магнитного потока с токами ротора создает электромагнитный вращающий момент М ВР вращающий ротор двигателя.

Под действием этого момента ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле Ф . Скорость вращения ротораn 2 всегда меньше скорости вращения поляn 1 . так как только в этом случае возможно индуцирование тока в проводниках обмотки ротора и возникновение вращающегося момента.

Скорость вращающегося магнитного поля n 1 определяется как

n 1 =. (1)

где p - число пар полюсов вращающегося магнитного поля;

ƒ - частота тока статора.

Разность (n 1 –n 2 ) называется скоростью скольжения, а отношение этой скорости к скорости вращения магнитного поля называется скольжением:

= * 100% (3)

Скольжение характеризует степень отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля. При номинальной нагрузке скольжение у двигателей в среднем составляет 1,5-5%.

Подключение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором к сети.

Обычно выводы всех фаз обмотки статора двигателя расположены в коробке зажимов. Схема присоединения обмоток к зажимам колодки показана на рис. 2а. включение обмоток по схеме «звезда» и соединение выводов зажимов - рис. 2б. включение обмоток по схеме «треугольник» и соединение выводов зажимов рис. 2в.

Пуск двигателя в ход. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сеть наблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей.

Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа:

1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора при нормальной работе соединена треугольником. В момент пуска обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в √3 раза.

2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток.

3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей.

Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента.

Реверсирование двигателя.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Это достигается переключением двух фаз (двух любых подводящих электрическую энергию проводов на зажимах двигателя).

Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимость скорости вращения n 2 . коэффициента полезного действияη . коэффициента мощностиcosφ . скольженияs , вращающего моментаM и тока в цепи статораI 1 от нагрузки (полезной мощности) на валу двигателяP 2 при постоянном номинальном напряжении и неизменной частоте сети( рис. 3.).

Основной характеристикой двигателя является зависимость частоты вращения ротора от момента сопротивления на валу (от нагрузки), т.е. механическая характеристика. Рабочими характеристиками двигателя являются зависимости:

При построении рабочих характеристик используются соотношения:

где:Р 2 - полезная механическая мощность на валу;

I 1 - линейный ток, потребляемый двигателем из сети;

М - момент на валу;

У асинхронного двигателя, как и у большинства машин, коэффициент полезного действия (КПД) с ростом нагрузки возрастаетη=ƒ(Р 2 ) . ввиду уменьшения доли электрических и магнитных потерь по отношению к развиваемой мощности двигателя. Однако, при достижении нагрузки 75% от номинальной, заметно возрастают и электрические потери (в обмотках статора и ротора), пропорциональные квадрату тока потребляемого двигателем, что ведет в дальнейшем с увеличением нагрузки к некоторому уменьшениюКПД .

Коэффициент мощности cosφ зависит от соотношения между активной мощностьюР 1 . потребляемой двигателем, и полной мощностьюS . складывающейся из активнойР 1 и реактивнойQ составляющих:

cosφ = (6)

При увеличении нагрузки растет величина активной мощности Р 1 . что приводит к ростуc osφ , достигающего максимального значения (0,7-0,9) при номинальной нагрузке на двигатель. В дальнейшем возможно уменьшениеcosφ . в связи с увеличением реактивной мощности, связанной с усилением потоков рассеяния.

Механическая характеристика и саморегулирование двигателя .

График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 4.) n=ƒ(M) . Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скоростьn 1 и вращающий моментМ 1 . При равномерном вращении этот момент равен тормозному моментуМ т1 , т.е.

Увеличение тормозного момента до М т2 , вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента.

С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя.

Этот процесс заканчивается тогда, когда вращающий момент М 2 , развиваемый двигателем, станет равнымМ т2 . При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чемn 1 . Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием.

Момент сопротивления (тормозящий момент) на валу двигателя создается генератором постоянного тока (ГПТ ).

При питании ОВ генератора от постоянного источника возникает ток возбужденияI В . создающий основное магнитное поле машиныФ .

Чаще всего используют два способа включения ОВ - к независимому источнику питания (независимое возбуждение) и параллельно цепи якоря генератора (параллельное возбуждение).

Вал якоря ГПТ. будучи соединенным с валом асинхронного двигателя, приводится им во вращение, в результате чего индуцируется в обмотках якоряЭДС Е . а на выходе генератора появляется напряжениеU . питающее нагрузку генератора, ток цепи якоряI я взаимодействует с магнитным полем возбужденияФ и создаеттормозящий момент М :

где: С М - конструктивный коэффициент машины.

Величина тормозящего момента зависит от величины нагрузки генератора и, следовательно, от I Я и от тока возбужденияI В . создающего магнитный потокФ .

Основные характеристики генератора:

где: I - ток в нагрузке генератора.

2. Методика эксперимента .

В соответствии со стандартами на испытание двигателей создать нагрузку на валу можно тарированным двигателем постоянного тока, работающем в режиме генератора. В этом случае полезную мощность P 2 можно рассчитать как:

где P ЭЛ – электрическая мощность, выделяемая в нагрузке;

η Г – КПД генератора постоянного тока;

U Г – напряжение на нагрузке генератора;

Кривая КПД. как функция полезной мощности от коэффициента нагрузкиβ =P ЭЛ /P ЭЛ (P ЭЛн – номинальное значение электрической мощности), представлена на рис. 5. Возрастание кривойКПД при малых значениях полезной мощности объясняется низкими значениями потерь короткого замыкания. С ростом нагрузки влияние потерь короткого замыкания возрастает (эти потери зависят от квадрата тока нагрузки), и ростКПД замедляется.

После достижения максимального значения КПД уменьшается и становится равным нулю в режиме короткого замыкания. В генераторах постоянного тока максимальное значениеКПД достигается, как правило, при β= 0.7…0.8.

Максимальное значение коэффициента полезного действия машин постоянного тока мощностью более 10 кВт составляет 0,85…0,96, причём большие значения соответствуют машинам большей мощности. У машин мощностью до 50 Вт он существенно меньше и составляет всего 0,15…0,5.

В первом приближении можно считать, что КПД нагружаемого генератора постоянно и равно 0,7. Такое допущение приведет к значительной ошибке определения полезной мощности на валу только в режимах, близких к режиму холостого хода (расчетное значениеP 2 будет занижено).

С увеличением нагрузки эта ошибка будет уменьшаться.

Исследование режимов работы асинхронного двигателя проводятся на модульном учебном комплексе МУК-ЭП1. который состоит из:

− блока питания двигателя постоянного тока БПП1 ;

− блока питания асинхронного двигателя БПА1 ;

− электромашинного агрегата МА1-АП .

В качестве исследуемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором использован АИР63А4 (220 В, 0.25 кВт, 1395 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов к нему осуществляется в блокеБПА1 .

В качестве нагрузки использован двигатель постоянного тока ПЛ073У3 (220 В, 180 Вт, 1500 об./мин.). Автоматическая коммутация обмоток двигателя и подключение измерительных приборов осуществляется в блокеБПП1 .

При работе с комплексом МУК-ЭП1 необходимо соблюдать следующую инструкцию.

Работа с БПА1.

Включите БПА1 в сеть. Установите нажатием кнопки «Звезда» соответствующий режим коммутации обмотки асинхронного двигателя и измерительных приборов. Включение питания обмоток АД осуществляется нажатием кнопки «Пуск/Стоп». Отключение режима двигателя осуществляется повторным нажатием кнопки «Пуск/Стоп».

Регулировка частоты сети при внешнем управлении осуществляется регулятором F ИНВ .

Внимание: Запуск АД должен осуществляться при отсутствии нагрузки на валу.

Работа с БПП1.

Включите БПП1 в сеть. Установите нажатием кнопки «Торможение» соответствующий режим коммутации обмоток двигателя постоянного тока и измерительных приборов. Для запуска ДПТ в режиме торможения необходимо в блоке БПП1 нажать кнопку «Пуск/Стоп». Остановка ДПТ осуществляется повторным нажатием кнопки «Пуск/Стоп».

Работа с тахометром .

Измерение частоты вращения производится при помощи тахометра, который расположен в электромашинном агрегате МА1-АП. В случае возникновения аварийной ситуации нажмите кнопку аварийного останова типа «Грибок», расположенной на передней панели машинного агрегата МА1-АП.

Схема работы комплекса после коммутации блоков представлена на рис. 6.

Энергетика и альтернативные виды топлива

статьи, обзоры, материалы

Машины переменного тока - особенности; Асинхронный двигатель

Устройство машин переменного тока

Из законов Ампера и Фарадея следует, что в основу принципа действия любой электрической машины упрощенно могут быть положены эти законы. Из них следует, что в любой электрической машине должна быть совокупность элементов, создающих магнитное поле с индукцией В. Эта совокупность элементов называется индуктором. Кроме того, любая электрическая машина должна иметь совокупность проводников, по которым течет ток либо от внешнего источника, либо этот ток создается в процессе работы электрической машины. Эта совокупность проводников называется якорем. Якорь и индуктор могут располагаться как на неподвижной части электрической машины (статоре), так и на подвижной части (роторе).

Электрические машины переменного тока

К электрическим машинам переменного тока относятся синхронные и

асинхронные машины.

Синхронные машины – это электрические машины, в которых вращающееся магнитное поле статора и ротор перемещаются с одной и той же скоростью, т.е.

где ω1 – угловая скорость вращающегося магнитного поля;

ω2 – угловая скорость ротора.

В асинхронных двигателях вращающееся магнитное поле статора и ротор перемещаются с разными скоростями, т.е.

Асинхронный двигатель постоянного тока асинхронный

Конструктивное исполнение электрических машин переменного тока

Статор электрических машин переменного тока несет на себе двух- или трехфазную обмотку, которая подключается соответственно к двух- или трехфазной сети переменного тока. Назначение статора с обмоткой – создание вращающегося магнитного поля (ВМП).

Условие создания вращающегося магнитного поля неподвижными обмотками: необходимо, чтобы фазы обмоток были сдвинуты в пространстве относительно друг друга, а питающие напряжения фаз были смещены во времени. Для трехфазной обмотки пространственный сдвиг составляет 120° (рис.13.1), а питающее напряжение соответствует следующим уравнениям:

Асинхронный двигатель - принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигатель - это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 - вал, 2,6 - подшипники, 3,8 - подшипниковые щиты, 4 - лапы, 5 - кожух вентилятора, 7 - крыльчатка вентилятора, 9 - короткозамкнутый ротор, 10 - статор, 11 - коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется "беличьей клеткой". В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Асинхронный двигатель постоянного тока асинхронного двигателя

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье - асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120 °. как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение .

Скольжение s - это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2 . в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но п о мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1 -n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр - критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме - 1 - 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

Фрезерование балясины Вентильный двигатель постоянного тока
Сервопривод, серва Tower Pro 9g SG90 Arduino PIC Описание Характеристики Сервопривод, серва, рулевая машинка, сервомашинка — кому как больше нравится :)
Электродвигатели АИР280S2, АИР280S4, АИР280S6, АИР280S8. Общепромышленный асинхронный электродвигатель АИР280S2, АИР280S4, АИР280S6, АИР280S8 изготавливается по умолчанию:
Полный привод - общая информация Основные принципы организации постоянного полного привода Общие сведения