Скольжение асинхронного двигателя

ТОК В ОБМОТКЕ РОТОРА

Из сказанного выше об изменении э. д. с. и реактивного сопротивления обмотки ротора можно заключить, что ток в роторе I₂ = E_2s/√(r2₂ + x2_2s)

тоже меняется при изменении скорости вращения. Пусковой ток I2п должен быть велик и отставать от э. д. с. на большой угол Ψ2, так как Е2велика, а реактивное сопротивление обмотки х2 обычно в 8—10 раз больше активного r2

При вращении ротора уменьшаются E2sи x2s. Вследствие этого уменьшаются ток I2и угол Ψ2. Указанное обстоятельство очень важно, так как в этом существенная разница между трансформатором и асинхронным двигателем

Статья на тему Работа асинхронного двигателя

• ← Предыдущая
• Следующая →
• Главная Электротехника

Предотвращение вспышек электрической дуги

Первый шаг в безопасности вспышки дуги сводит к минимуму риск возникновения. Это можно сделать, выполнив оценку электрического риска, которая может помочь определить, где находятся самые большие опасности на объекте. IEEE 1584 является хорошим вариантом для большинства объектов и поможет выявить общие проблемы.

Регулярные проверки всего высоковольтного оборудования и всей проводки являются еще одним важным шагом. Если есть какие-либо признаки коррозии, повреждения проводов или другие проблемы, их следует устранить как можно скорее. Это поможет безопасно хранить электрические токи внутри машин и проводов.

Некоторые конкретные области, которые должны быть проверены, включают в себя любые электрические распределительные щиты, щиты управления, панели управления, корпуса розеток и центры управления двигателями.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (), Вт

• При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м2,
• m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмотке
статора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

На рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС E_A , E_B и E_C , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи
I_A, I_B, I_C , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь:
B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;w – количество витков;v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста-
тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = B_max sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. В
синхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Так, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δ_max (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.
Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

f = pn

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим – основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Генераторный режим[править | править код]

Если обмотку статора включить в сеть, а ротор посредством приводного двигателя вращать в направлении вращения магнитного поля с частотой n>n1{\displaystyle n>n_{1}}, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора изменит свое направление. Таким образом, в генераторном режиме скольжение может изменяться в диапазоне −∞<s<{\displaystyle -\infty <s<0}, то есть оно может принимать любые отрицательные значения.

5.16. ОДНОФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМИ ПОЛЮСАМИ

Для создания вращающего момента в однофазных асинхронных
двигателях иногда применяют конструкцию с явно выраженными полюсами и однофазной
обмоткой. Полюса 1 (рис. 5.16.1) имеют расщепленную конструкцию, причем на одну
из половинок каждого полюса надет короткозамкнутый виток в виде медного кольца
2. Ротор также короткозамкнутый. При подключении обмотки статора к сети под
действием создаваемого ею пульсирующего магнитного потока в витке возникает
ток, который препятствует нарастанию потока в этой части полюса.

В результате потоки в обеих
частях каждого полюса оказываются сдвинуты по фазе относительно друг друга,
что в свою очередь приводит к образованию в двигателе вращающего магнитного
поля. Однофазные двигатели применяют в некоторых типах вентиляторов, электропроигрывателях
и т.д.

Восстановление маркировки обмоток

Если точнее, маркировка обмоток нужна только для определения направления намотки катушек обмотки. Конец и начало обмотки обозначают только с этой целью. Дело в том, что при включении обмотки в работу в ней начинают возникать вихревые токи, которые движутся по направлению «от начала к концу». Если обмотки включить по принципу «начало с началом, конец с концом», то токи суммируются, обмотки превратятся в один большой резистор и возникнет огромный суммарный ток. Двигатель начнет сильно гудеть и не будет вращаться. Очень быстро начнут нагреваться обмотки, и двигатель сгорит. Причем, вполне возможно, вспыхнет настоящее пламя оранжево-синего цвета с очень вредным и неприятным запахом.

Существует способ определения концов и начал обмоток.

Весь этот процесс очень хорошо показан на видео. Автор этого видео использовал для проверки сетевое напряжения в 220 Вольт, что я крайне не рекомендую делать. Используйте понижающие трансформаторы, либо автотрансформатор.

5.18.6 Поворотные трансформаторы

Так называют электрические машины переменного тока,
предназначенные для преобразования угла поворота q в напряжение,
пропорциональное некоторым функциям угла поворота ротора sinq
или cosq, а также самому углу q. Их применяют в вычислительной
технике для выполнения различных математических операций. С помощью поворотных
трансформаторов решают геометрические задачи, связанные с построением треугольников,
преобразованием координат, разложением и построением векторов. В системах автоматического
регулирования поворотные трансформаторы используют в качестве измерителей расстояния,
фиксирующих отклонение системы от некоторого определенного положения.

Конструктивно поворотный трансформатор представляет
собой асинхронную машину малой мощности. На статоре ее перпендикулярно размещены
две обмотки: C₁-C₂ и С₃-С₄.
Первая получила название главной, а вторая — квадратурной. Обмотки статора выполняются
одинаковыми, т.е. с одинаковым числом витков. На роторе может быть одна обмотка,
но чаще их бывает две. На рис. 5.18.6.1. приведены схемы включения синусного,
косинусного и синусно-косинусного поворотных трансформаторов.

5.14. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Статор однофазного двигателя
имеет однофазную обмотку, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор
— коротко-замкнутый.

При подключении к сети
однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный
поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся
потока Ф_I и Ф_II, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим
Ф_I прямым потоком, а Ф_II — обратным. Частота вращения
каждого потока — n_1I=n_1II=n₁.

Предположим, что ротор
двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя
относительно прямого потока Ф_I равно:

,

а относительно обратного потока:

.

Потоки Ф_I и
Ф_II наводят в обмотке ротора ЭДС E_2I и E_2II,
которые создают токи I_2I и I_2II. Известно, что частота
тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f₂=Sf₁.
Т.к. S_II>S_I, то ток, наведенный обратным полем, имеет
частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f_2II>f_2I.

Пусть n₁=1500 об/мин, n₂=1450 об/мин, f₁=50 Гц, тогда:

S_I =(1500-1450)/1500=0,03     f_2I=50×0,03=1,5 Гц
S_II=(1500+1450)/1500=1,96     f_2II=50×1,96=98 Гц

Нам также известно, что
индуктивное сопротивление роторной обмотки x₂ зависит от частоты
f₂:

Поскольку f_2I<<f_2II,
то и сопротивление x_2I<<x_2II

Переходя к токам I₂,
которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x₂,
можно записать: I_2I>>I_2II.

Вращающие моменты двигателя
пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI₂).

Исходя из значений токов
I_2I и I_2II и учитывая, что Ф_I=Ф_II
можно записать:

M_I>>M_II.

Следовательно, если ротор
двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться
в этом направлении. Тормозящее воздействие М_II не будет оказывать
заметного влияния на работу двигателя.

Вспомним, что мы условно
предполагали вращение ротора в сторону прямого потока Ф_I. А если
бы он вращался вначале в сторону обратного потока Ф_II?

Тогда, проведя аналогичные
рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону
обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя
(рис. 5.14.2).

Из характеристики М=f(S)
видно, что при пуске, когда S=1, пусковой момент М_п=О. Двигатель
при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или
иную сторону.

Если сдвинуть точку М_п
влево от S=1, то момент будет положительным, если вправо — отрицательным.

Другими словами, направление
устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального
импульса.

Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске.

Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими.

Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй — электрический.

Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой.
Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов.

Однофазный двигатель, таким
образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся
магнитным полем, если выполнены два обязательных условия.

Первое условие состоит
в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое
условие, легко реализуется на заводе-изготовителе.

Второе обязательное условие
диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в
рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку
фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 5.14.3).

После того как ротор двигателя
придет во вращение, пусковую обмотку П_О отключают. Делается это с
помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки
производится автоматически по ходу разгона двигателя.

Что это такое

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.

Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.

Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.

Высчитывается она по формуле:

где n₁— это частота вращения магнитного поля, n₂ – частота вращения магнитного поля ротора.

Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.

5.18.5 Сельсины

Представим себе два асинхронных двигателя с фазным
ротором включенным последующей схеме (рис. 5.18.5.1). Обмотки статора С₁,
С₂, С₃, называемые обмотками возбуждения, включены в общую
сеть трехфазного тока.

Обмотки ротора P₁, P₂, P₃
объединены трехпроводниковой линией связи. Магнитные потоки обмоток возбуждения
при q₁=q₂ наводят в соответствующих
обмотках роторов равные и совпадающие по фазе ЭДС.

Если ротор двигателя Д1 повернуть на угол q₁,
а ротор Д2 оставить на месте (q₂=0), то в фазных обмотках
ротора двигателя Д2 будет наведена ЭДС E₂>E₁. В результате
в линии связи потечет ток DI от большего потенциала к меньшему.

,

где 2z — сумма сопротивлений обмоток роторов и линии связи.

Этот ток, пройдя по обмоткам роторов, взаимодействуя
с магнитными полями статоров, вызовет образование дополнительных вращающих моментов
DM. Поскольку направление момента DМ в каждом двигателе
будет свое, то в одном из них произойдет поворот ротора вправо (у двигателя
Д2), а у другого — влево (у двигателя Д1).

Следовательно, оба двигателя самостоятельно (синхронно)
придут в положение (q₁=q₂).
Такая система получила название синхронно-следящей.

Практическое использование эта система получила
в многоприводных механизмах (конвейерах, козловых кранах и т.п.).

В автоматике применяются так называемые сельсины.
Это маломощные асинхронные машины с однофазным статором и трехфазным ротором.

Сельсины применяются для целей измерения или определения
угла, на который повернулся определенный механизм.

В сельсинной передаче всегда используются две машины:
сельсин-датчик и сельсин-приемник.

Обмотки возбуждения бывают обычно однофазные и
располагаются на явновыраженных полюсах. Число полюсов всегда два. Обмотки синхронизации
— трехфазные, размещаются в пазах ротора и оканчиваются тремя контактными кольцами
(рис. 5.18.5.2).

В отличие от силовых синхронно-следящих систем,
поворот ротора сельсина-датчика осуществляется принудительно, а ротор сельсина-приемника
приходит в движение автоматически. Поворот ротора фиксируется индикаторной стрелкой.

При наличии однофазных обмоток возбуждения на статоре
поворот ротора сельсина-датчика может осуществляться в любую сторону, т.к. пульсирующее
магнитное поле статора обеспечивает для этого необходимые условия.

Помимо приведенного индикаторного режима, сельсины
могут работать и в так называемом трансформаторном режиме.

В этом случае сельсин-приемник, не только показывает
угол рассогласования q, но и вырабатывает электрический сигнал
для управления мощным механизмом

СОПРОТИВЛЕНИЯ В ОБМОТКЕ РОТОРА

Как и в трансформаторе, часть потока статора замыкается по путям рассеяния, т. е. вокруг проводов статора, не заходя в ротор (рис. 10-19). Известно, что эти потоки обусловливают реактивное (индуктивное) сопротивление обмотки x₁.Такие же потоки рассеяния существуют и вокруг проводов обмотки ротора, когда в ней протекает ток. Ими обусловлено реактивное сопротивление ротора x₂.

При неподвижном роторе

x₂ = ω₁L₂ = 2πf₁L₂ 

При вращающемся роторе

x₂ = 2πf₂L₂ = 2πf₁sL₂

Отсюда следует, что реактивное сопротивление ротора непрерывно и сильно меняется при изменении режима работы двигателя от величины x_2s = х₂• 1 = х₂при неподвижном роторе до величины x_2s = х₂• 0 = 0, если бы ротор вращался синхронно.

В двигателях нормального исполнения изменением активного сопротивления ротора при изменении частоты от 50 гц до 0 можно пренебречь и считать r₂ = const.