Асинхронный двигатель

Изучение асинхронного двигателя надо начинать с его устройства и принципа работы. Необходимо обратить особое внимание на электромагнитные процессы, возникающие в двигателе, как при его пуске, так и в процессе работы. Векторная диаграмма и эквивалентная схема асинхронного двигателя облегчает изучение его работы и используется при выводе основных уравнений. Эксплуатационные параметры асинхронного двигателя демонстрируется механическими и рабочими характеристиками.

После изучения данного раздела студент должен:

1. знать значения терминов: скольжение, синхронная скорость, круговое вращающее магнитное поле, короткозамкнутый ротор, фазный ротор, поток полюса, глубокопазный ротор, двойная «беличья клетка» способы изменения направления вращения магнитного поля; устройства и области применения двух типов трехфазных асинхронных двигателей; условные обозначения трехфазных асинхронных двигателей на схемах, вид механических характеристик; способы регулирования частоты вращения двигателя;

2. понимать принцип возбуждения многополюсного вращающегося магнитного поля; принцип действия трехфазной асинхронной машины в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза; факторы; влияющие на частоту вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя; возможность замены трехфазного двигателя с вращающимся ротором эквивалентным двигателем с неподвижным ротором; аналогию физических явлений в трехфазном асинхронном двигателе с неподвижным ротором и в трансформаторе с резистивной нагрузкой; энергетические преобразования в трехфазном асинхронном двигателе;

3. уметь осуществлять пуск асинхронного двигателя; измерять скольжение с помощью стробоскопического устройства, частоту вращения; оценивать величины номинального, пускового и максимального моментов, пускового тока и номинального скольжения по данным каталога.

Приступая к изучению этой темы, необходимо понять условия возбуждения вращающегося магнитного поля.

Механические характеристики M=f(S) и n=f(M) могут быть построены по расчетной формуле вращающего момента

M= (1)

где М – вращающий момент двигателя, Нм; U_iф – фазное напряжение статорной обмотки; S – скольжение; r₁, x₁ – значения сопротивлений статорной обмотки; r₂, x₂ – приведенные значения сопротивлений роторной обмотки; f₁ – частота напряжения питания статорной обмотки; p – число пар полюсов; n₁= - угловая скорость вращения магнитного поля.

По зависимости М=f(S) легко построить характеристику n=f(S). Механические характеристики можно построить и по данным каталога.

Известно, что

M=2M_кр/(S_кр/S+S/S_кр), (2)

где M_кр – критический (максимальный) вращающийся момент двигателя; S_кр – скольжение, при котором двигатель развивает критический момент.

Зная отношение критического момента к номинальному M_кр/M_ном= и определив номинальный момент как

M_ном=9550P_ном/ _ном

где P_ном – номинальная мощность двигателя, кВт; _ном – номинальная частота вращения ротора, об/мин, легко получить выражение для S_кр.

Рис.9

По известным из каталога значениям δ, λ, P_N и n_N можно построить механическую характеристику асинхронного двигателя. Расчёт получается особенно простым, если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора. Это допущение, особенно для двигателей значительной мощности, где значение очень мало, не вносит заметной погрешности в расчет. Покажем путь решения данной задачи. Для построения механической характеристики двигателя используют формулу:

(3)

Предварительно находят значение s_кр, применяя расчетную формулу для номинального режима двигателя:

(4)

Решая это уравнение относительно s_кр, получают

(5)

Зная значения M_m и s_кр и используя расчетную формулу, можно для любого значения s найти соответствующий момент M и построить кривую M(s).

Механические характеристики асинхронного двигателя, изображенные на рис.9, показывают свойства двигателя в системе электропривода: пусковые свойства, перегрузочную способность, устойчивость работы.

Для более полного выявления свойств двигателя служат рабочие характеристики, показывающие зависимость скорости вращения ротора n, вращающегося момента M, к.п.д. , тока I и коэффициента мощности cos от мощности двигателя P₂. Эти характеристики можно рассчитать по данным каталога или получить в процессе испытания двигателя в лабораторных условиях.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя изображены на рис.10.

Рис.10

Задача 5.Номинальная мощность трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором P_ном=10 кВт, номинальное напряжение U_ном=380 В, номинальная частота вращения ротора _ном=1420 об/мин, номинальный коэффициент мощности cos _ном=0,85. Кратность пускового тока I_пуск/I_ном=6,5, а перегрузочная способность двигателя =1,8.

Определить: 1) потребляемую мощность; 2) номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты; 3) пусковой ток; 4) номинальное и критическое скольжения. Построить механические характеристики M=f(S) и n=f(M).

Решение:

Потребляемая мощность

P_{i ном}=P_ном/ _ном=10/0,84=11,9 кВт.

Номинальный и максимальный моменты:

M_ном=9550 =9550 =67,3 Нм.

M_max= M_ном=1,8*67,3=121 Нм.

Номинальный и пусковой токи:

I_ном= = =21,2 A;

I_пуск=6,51_ном=6,5*21,2=138 A.

Номинальное и критическое скольжения:

S_ном= (n₀-n_ном)/n₀ = (1500-1420)/1500=0.053;

S_кр=S_ном ( + ) =0,053(1,8+ -1)=0,175.

Механическая характеристика M=f(S) строится по уравнению (2): M= .

Задаваясь скольжением S от 0 до 1, подсчитываем вращающий момент. Скорость вращения ротора определяем из уравнения (4). Расчетные данные приведены в табл.4. Характеристики построенные по данным таблицы будут идентичными на рис.9.

Таблица 4.

Задача 6.Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором имеет следующие данные: P_N, n_N, M_m/M_N p=2 (табл.5). Требуется: 1) построить механические характеристики M(S) двигателя: а) при номинальном напряжении; б) при пониженном напряжении U=0,9U_N; 2) определить частоту вращения двигателя при моменте M=220 Нм: а) при номинальном напряжении; б) при пониженном напряжении U=0,9U_N; 3) определить возможность пуска двигателя при U=0,9U_N, если момент сопротивления производственного механизма, приводимого в действие двигателем, M_{c. нач.}=170 Нм; 4) установить возможность работы двигателя при наличии мгновенных перегрузок M_{c. м.} =400 Нм;

Таблица 5.

Величина	Номер варианта
PN, кВт		5,5	7,5
nN,об/мин
Mm/MN=	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2
p
Величина
PN, кВт	18,5
nN,об/мин
Mm/MN=	2,2	2,2	2,2	2,2	2,2
p

Задача 7.Режим работы станка задан графиком, приведенным на рис.11. Определить мощность и выбрать трехфазный асинхронный двигатель для привода станка, если частота вращения вала двигателя должна быть близкой к n (табл.6).

Рис.11

Таблица 6.

Вопросы для самопроверки:

1. Из каких основных частей состоит асинхронный двигатель и каково их назначение?

2. Как изменить направление вращения магнитного поля статора?

3. Объясните принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

4. Почему у асинхронного двигателя скольжение не может быть равным нулю?

5. Каковы достоинства и недостатки АД с короткозамкнутым ротором?