Асинхронний двигун з фазним ротором

Вступ

Асинхронні машини переважно застосовують як двигуни. За оцінками експертів із загальної кількості електричних двигунів, що перебувають в екс­плуатації, на асинхронні двигуни припадає 90-95%. Простота, висока надійність у роботі, малі габаритні розміри і низька вартість трифазних АД потужністю більше 0,5 кВт обумовили їхнє широке застосування в електроприводах метало­різальних верстатів, підйомно-транспортних механізмів, ковальсько-пресових машин, насосів, вентиляторів, компресорів та ін.

На рис.1.1 показана будова АД. Його основними конструктивними елемен­тами є нерухомий статор і обертовий ротор. Статор складається із станини 1 (рис.1.2), що є одночасно корпусом двигуна, і закріплених у ній магнітопроводу 2 і обмотки 3. Магнітопровід статора, який являє собою основну частину магніт­ного кола машини, виконаний з шихтованої електротехнічної сталі. На його внут­рішній циліндричній поверхні є пази, в які укладають провідники обмотки стато­ра. До станини кріплять два бічних щити 4 з наскрізними центральними отворами для підшипників вала ротора. Ротор АД 5 (рис. 1.2) складається з пакета магніто­проводу і обмотки. Насаджений на вал 6 пакет магнітопроводу має форму цилінд­ра, на зовнішній поверхні якого виконані пази, де розмішується обмотка.

Залежно від типу обмотки ротор АД може бути короткозамкненим або фазним. У пази короткозамкнених роторів вкладені мідні стрижні, що з'єдну­ються з торців короткозамкненими кільцями; така обмотка має вигляд «білячої клітки»

 

Рис.11.1 Будова асинхронного двигуна: 1 - осердя статора; 2 - осердя ротора; 3 - повітряний зазор; 4 - обмотка статора; 5 - обмотка ротора; 6 - вентилятор; 7 - вентиляційні канали (стрілками показаний на­прямок руху повітря, що охолоджує, по каналах); 8 - вал; 9 - підшипники; 10 – станина

Рис.11.2 - Конструктивні елементи асинхронних двигунів: а - АД з короткозамкненим ротором; б - АД з фазним ротором

Принцип роботи асинхронної машини заснований на викорис­танні обертового магнітного поля. При підключенні до мережі трифазної обмо­тки статора створюється обертове магнітне поле, кутова швидкість якого ви­значається частотою мережі числом пар полюсів обмотки р.

Перетинаючи провідники обмотки статора і ротора, це поле відповідно до закону електромагнітної індукції наводить в обмотках ЕРС. При замкнутій обмот­ці ротора в її колі протікає струм, взаємодія якого з результуючим магнітним по­лем створює електромагнітний момент на валу асинхронної машини. Якщо цей момент перевищує момент опору на

валу двигуна, вал починає обертатися і обер­тає робочий механізм. Кутову швидкість магнітного поля ω₁ називають синхро­нною. Звичайно кутова швидкість ротора ω₂ не дорівнює кутовій швидкості маг­нітного поля ω₁. Звідси і назва двигуна асинхронний, тобто несинхронний.

Робота асинхронної машини характеризується ковзанням s, що являє со­бою відносну різницю кутових швидкостей поля ₁ і ротора ω₂.

Значення і знак ковзання залежать від кутової швидкості ротора відносно магнітного поля і визначають режим роботи асинхронної машини.

Так, у режимі ідеального холостого ходу ротор і магнітне поле обертаються з однаковою частотою в одному напрямку, тобто ротор нерухомий відносно обертового маг­нітного поля, і ковзання s дорівнює нулю. ЕРС в обмотці ротора не індуктується, струм ротора й електромагнітний момент машини дорівнюють нулю. При пуску АД в перший момент часу ротор нерухомий: ω₂ = 0, s = 1. Таким чином, ковзання в режимі двигуна змінюється від s = 1 в початковий момент пуску до s = 0 у режимі ідеального холостого ходу.

При обертанні ротора із швидкістю ω₂ > ω₁ у напрямку обертання магніт­ного поля ковзання стає від'ємним. Машина переходить у генераторний режим і розвиває гальмовий момент. При обертанні ротора в напрямку, протилежному напрямку обертання магнітного поля (s> 1), асинхронна машина переходить у режим противключення і також розвиває гальмовий момент. Таким чином, за­лежно від ковзання розрізняють режими двигуна (s= 1÷0), генераторний (s = 1÷0) і противключення (s = 1÷+∞). Режими генераторний і противключення використовують для гальмування асинхронних двигунів.

У сучасних АД, залежно від їхнього типу, при номінальному навантажен­ні ковзання становить s _ном= 0,015 ÷ 0,07.

Асинхронний двигун з фазним ротором

Асинхронний двигун з фазним ротором – це двигун, який можна регулювати за допомогою додавання в ланцюг ротора додаткових опорів. Зазвичай такі двигуни застосовуються при пуску з навантаженням на валу, оскільки збільшення опору в ланцюзі ротора, дозволяє підвищити пусковий момент і зменшити пускові струми. Цим асинхронний двигун з фазним ротором вигідно відрізняється від двигуна з короткозамкнутим ротором.

 

Статор (2) виконаний, так само як і в звичайному асинхронному двигуні, він представляє з себе порожнистий циліндр, набраний з листів електротехнічної сталі, в який укладена трифазна обмотка.

Ротор (3) в порівнянні з короткозамкнутим, представляє з себе складнішу конструкцію. Він складається з сердечника в який укладена трифазна обмотка, аналогічно обмотці статора. Звідси назва двигуна.

Якщо двигун двополюсний, то обмотки ротора зміщені геометрично один відносно одної на 120. Ці обмотки з’єднуються з трьома контактними кільцями (4), розташованими на валу ротора. Контактні кільця виконані з латуні або сталі, причому одине від одного вони ізольовані. За допомогою декількох метал-графітових щіток (зазвичай двох), які розташовані на щіткотримачі (5) і притискаються пружинами до кілець, в ланцюг вводяться додаткові опори. Виводи обмоток з’єднуються за схемою “зірка”.

Додатковий опір вводиться тільки при пуску двигуна. Причому

 

ним зазвичай служить ступінчастий реостат, опір якого зменшують зі

збільшенням оборотів двигуна. Таким чином пуск двигуна здійснюється теж ступінчасто. Після того, як розгін закінчився і двигун вийшов на природну механічну характеристику, обмотку ротора закорочують. Для того, щоб зберегти щітки і понизити втрати на них, в двигунах з фазним ротором існує спеціальний пристрій, який піднімає щітки і замикає кільця. Таким чином, вдається підвищити ще і ККД двигуна.

Додатковий опір дозволяє головним чином здійснити пуск двигуна під навантаженням, працювати з ним тривалий час двигун не може, оскільки механічні характеристики занадто м’які і робота двигуна на них нестабільна.

Для того, щоб автоматизувати пуск двигуна, в обмотку ротора включають індуктивність. У момент пуску, частота струму в роторі найбільша, а значить і індуктивний опір максимальний. Потім, при розгоні двигуна, частота, як і опір зменшуються, і двигун поступово починає працювати в звичайному режимі.

За рахунок ускладнення своєї конструкції, асинхронний двигун з фазним ротором, має хороші пускові і регулювальні характеристики. Але з тієї ж причини, його вартість зростає приблизно в 1.5 в порівнянні із звичайним асинхронним двигуном, крім того збільшується маса, розміри і як правило, зменшується надійність двигуна

 

 

Постанова задач

Вибрати АД для головного приводу металообробного верстата для токарної обробки вказаного матеріалу, який при швидкості різання v і ККД h повинен знімати стружку перерізом q.

№ варіанта	Продуктив-ність Q, м3/с	Тиск на одиницю площі Н, Па/м2	Тип передачі і відповідний ККД hп	Швидкість обертання, об/хв
Б3

3. Вибір асинхронного двигуна за номінальною потужністю

Потужність двигуна для приводу металообробного верстата може бути розрахована таким чином:

 

Обираємо асинхронний двигун “ АИР160М6”, який має потужність 3 кВт.

Каталожні дані асинхронних двигунів серії АИР (U_н = 380/220 В)

Тип двигуна

Потуж-ність, кВт

При номінальному навантаженні

Ковзан-ня, %

ККД, %

cos φ

Синхронна частота обертання 1000 об/хв

АИР160М6

0.85

1.7

2.6

1.6

6.5

 

Таким чином отримали номінальну потужність асинхронного двигуна Р_н =15кВт

 

4. Розрахунок активних і індуктивних опорів схеми заміщення АД за каталожними даними

Для асинхронного двигуна АИР100L4 визначити параметри Т-подібної схеми заміщення. Двигун має технічні дані:

· номінальна потужність Р_н = 15 кВт;

· номінальна фазна напруга U_1н = 220 В;

· синхронна частота обертання n₀ = 1000 об/хв;

· номінальне ковзання s_н = 0.03;

· ККД при номінальному (100 %) навантаженні η_н = 88 %;

· коефіцієнт потужності при номінальному (100 %) навантаженні cos φ_н = 0,85;

· кратність пускового моменту k_П = 1.7;

· кратність максимального моменту k_max = 2.6;

· кратність мінімального моменту k_inx = 1.6;

· кратність пускового cтруму k_і = 6.5

Номінальний струм обмотки статора двигуна

 

коефіцієнт потужності при частковому завантаженні (відповідно до графіку співвідношення

;

ККД при частковому завантаженні

;

коефіцієнт завантаження двигуна

;

струм статора АД при частковому завантаженні

 

струм холостого ходу асинхронного двигуна

 

Критичне ковзання

де прийнято β = 1,5 [4].

Визначимо коефіцієнти:

 

 

Активний опір обмотки ротора, приведеної до обмотки статора АД

Активний опір обмотки статора

Визначимо параметр γ, який дозволить знайти індуктивний опір короткого замикання

тоді

 

Індуктивні опори розсіювання фази обмотки ротора і статора відповідно

3.35

ЕРС гілки намагнічування Е_m, наведена потоком повітряного проміжку в обмотці статора в номінальному режимі, визначається

тоді індуктивний опір контуру намагнічування

6.Розрахунок втрат в АД при роботі на номінальне навантаження

Асинхронний двигун споживає з мережі активну потужність

частина якої витрачається у вигляді електричних втрат в обмотці статора

а частина − у вигляді магнітних втрат в сталі частини магнітопроводу, розташованої на статорі

де

Потужність, що залишилася, являє собою електромагнітну потужність, що передається через повітряний проміжок на ротор

Частина цієї потужності втрачається у вигляді електричних втрат в активному опорі вторинної обмотки

де

Оскільки частота струму в обмотці ротора невелика, то втратами в сталі частини магнітопроводу, розташованої на роторі нехтують .

Частина потужності, що залишилась, перетворюється в механічну потужність на роторі

З цієї потужності частина витрачається на механічні і додаткові втрати і залишається корисна потужність на валу

Енергетична діаграма асинхронного двигуна

7. Розрахунок природніх механічної і електромеханічної характеристик АД

Розрахунок електромеханічної І₁ = f (s) і механічної M = f (s) характер-ристик здійснюється з використанням Т-подібної схеми заміщення АД.

Визначаємо синхронну кутову швидкість двигуна

рад/с.

Розрахунок природньої механічної характеристики здійснюємо за виразом:

Н×м.

Змінюючи значення ковзання в межах від -1 до +1, розрахуємо механічну характеристику (наприклад, в системі MathCAD) і побудуємо її.

Визначимо додаткові параметри двигуна:

критичний момент в режимі двигуна

критичне ковзання

номінальна швидкість двигуна

номінальний момент

максимальний момент

мінімальний момент

Знайдені значення номінального, максимального та мінімального моментів нанесемо на розраховану механічну характеристику.

Природна механічна характеристика двигуна:

1 – точка номінального моменту; 2 – точка максимального моменту;

3 – точка мінімального моменту

Як видно з графіку розраховані за каталожними даними контрольні точки співпадають з розрахованою механічною характеристикою.

Залежність приведеного струму обмотки ротора від ковзання визначимо за формулою для значень ковзання від -1 до +1, розрахуємо електромеханічну характеристику (в системі MathCAD) і побудуємо її

Електромеханічну характеристику розрахуємо за формулою (3.40) з врахуванням знайденого за приведеного струму в обмотці ротора та зміною ковзання від -1 до +1

,

де

 

 

Електромеханічна характеристика

 

Природня електромеханічна характеристика : 1 – точка з номінальними параметрами АД

Висновки:

В процесі виконання Розрахунково-графічної роботи розрахували наступне:

Визначено струми статора і ротора, обертовий момент та коефіцієнт потужності при пуску двигуна без пускового реостата.

Знайдено струми статора і ротора та електромагнітний момент при роботі двигуна з номінальний ковзанням та відсутністю в колі ротора додаткових втрат без врахування і з врахуванням струму намагнічування.

Розраховано значення додаткового опору, яке необхідно ввести в коло ротора, щоб отримати пусковий момент рівний максимальному, а також пускові струми статора і ротора при цьому опорі.

Побудовано механічну характеристику двигуна, використовуючи формулу Клосса, та визначили кратність максимального моментну.

Накреслено загальний вигляд двигуна та коротко описати елементи його конструкції (складальний креслиник)

 

Література:

1. Методические указания и контрольные задания по асинхронным машинам. К.: КПИ.-32 с.

2. Андрієнко В.М., Куєвда В.П.. Елекричні машини: Навч. Посіб. – К.: НУХТ, 2010. – 366 с.

3. Читечян В.Й.. Электрические машины. Сборник задач. М.: Высшая школа, 1988. –

231 с.