Скольжение асинхронного двигателя

В результате взаимодействия магнитного поля с токами в роторе асинхронного двигателя создается вращающий электромагнитный момент, стремящийся уравнять скорость вращения магнитного поля статора и ротора.

Асинхронный двигатель не может достичь синхронной скорости вращения даже три отсоединенном механизме, так как при ней проводники ротора не будут пересекаться магнитным полем, в них не будет наводиться ЭДС и не будет тока. Асинхронный момент при s = 0 будет равен нулю.

Сопротивление ротора зависит от частоты тока в нем, причем чем больше частота, тем больше его индуктивное сопротивление. С увеличением индуктивного сопротивления ротора увеличивается сдвиг фаз между напряжением и током в обмотках статора.

При пуске асинхронных двигателей коэффициент мощности поэтому значительно ниже, чем при нормальной работе. Величина тока определяется эквивалентным значением сопротивления электродвигателя и приложенным напряжением.

Ток по величине изменяется обратно пропорционально изменению эквивалентного сопротивления Таким образом, при пуске до скольжения порядка 0,15 ток опадает незначительно, а в дальнейшем быстро уменьшается.

Момент вращения может быть также определен по электромагнитной мощности на валу как отношение этой мощности к угловой скорости ротора. Величина момента пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональная квадрату частоты.

З начения момента для номинального напряжения приводятся в каталогах для электрических машин. Знание минимального момента необходимо при расчете допустимости пуска или самозапуска механизма с полной нагрузкой механизма. Поэтому его значение для конкретных расчетов должно быть либо определено, либо получено от завода-поставщика.

Величина максимального значения момента определяется индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора и не зависит от величины сопротивления ротора.

Критическое скольжение определяется отношением сопротивления ротора к эквивалентному сопротивлению (обусловлено активным сопротивлением статора и индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора).

Увеличение только активного сопротивления ротора сопровождается увеличением критического скольжения и перемещением максимума момента в область более высоких скольжений (меньшей скорости вращения). Таким путем может быть достигнуто изменение характеристик моментов.

Источник

Как определить скольжение асинхронного двигателя в процессе наладки и эксплуатации

Преимущества этого способа определения скольжения электродвигателя: быстрота измерений и возможность производить их как при неизменной, так и при изменяющейся частоте вращения. К недостаткам такого способа измерения можно отнести невысокую точность обычных тахометров (погрешность 1–8 %) и трудность их градуирования. Кроме того, тахометр не может применяться при испытании электродвигателей малой мощности, так как потери на трение внутри механизма тахометра представляют заметную нагрузку.

При наличии углубления по центру вала применяется удлинитель, который надевается на вал тахометра, а соответствующий наконечник – на удлинитель. При отсутствии или недостаточности центров пользуются шкивом, который прижимается боковой поверхностью (резиновым кольцом) к поверхности вращающегося вала.

В соответствии с конкретными условиями измерения выбирают приспособление (удлинитель наконечник). Перед началом измерения удаляют смазку, грязь, пыль из центра углубления или поверхности вала.

Для измерения частоты вращения электродвигателя следует предварительно установить на тахометре необходимый предел измерения. Если порядок измерения частоты неизвестен, то измерение следует начинать с самого высокого предела во избежание порчи тахометра.

Измерение следует производить кратковременно (3 – 5 с), осторожно прижимая наконечник тахометра к вращающемуся валу с небольшим нажимом так, чтобы ось вала тахометра совпадала с осью измеряемого вала или при пользовании шкивом была параллельной ей.

Если скольжение не превышает 5 %, частота вращения может быть измерена стробоскопическим методом с применением неоновой лампы.

На торце вала двигателя мелом наносят диаметральную черту. Во время работы двигателя ее освещают неоновой лампой, питаемой от сети той же частоты, что и двигатель. Наблюдатель видит на торце вала не черту, а звезду, медленно вращающуюся против направления вращения вала. Количество лучей звезды зависит от числа пар полюсов двигателя и от положения неоновой лампы. Если свет от обоих электродов лампы падает на торец вала, число лучей кажущейся звезды равно 2р. Если же торец вала с нанесенной меловой чертой освещается только одним электродом, число лучей кажущейся звезды равно числу пар полюсов.

За время t (обычно 30 с), измеряемое секундомером, подсчитывается количество лучей кажущейся звезды m, прошедших через вертикальное положение. Поскольку число лучей кажущейся звезды равно 2р, скольжение

где f1 – частота сети, питающей неоновую лампу.

Другой вариант стробоскопического метода заключается в следующем. На валу двигателя с торцовой стороны укрепляют один из дисков (рис. 2 ). Собирают схему (рис. 3 ). У двухполюсной машины на валу закрепляют диск, обозначенный как 2р = 2, и освещают его неоновой лампой с пятачковым электродом.

Ротор вращается несинхронно и отстает от поля, так что виден диск, медленно вращающийся в сторону, противоположную вращению ротора. Если за время t мимо неподвижной точки (стрелки, укрепленной на подшипнике) проходит m черных секторов, значение скольжения определяется по выражению

Счет проходящих мимо неподвижной точки секторов следует начинать не с момента пуска секундомера, а со следующего прохождения метки.

Определение скольжения двигателя с помощью индукционной катушки. Этот метод основан на контроле частоты вращения потоков рассеивания ротора Фр (рис. 5 ), которые с частотой, пропорциональной скольжению, пересекают витки индукционной катушки.

Рис. 5. Схема измерения скольжения ротора асинхронного электродвигателя с помощью индукционной катушки

К выводам катушки подключают чувствительный милливольтметр (желательно с нулем посредине шкалы); катушку располагают у конца вала ротора. Поворачивая катушку в разные стороны, находят положение, при котором наблюдаются максимальные колебания стрелки прибора. По числу полных колебаний k за время t рассчитывают значение скольжения

В качестве индукционной катушки можно использовать катушку реле или контактора постоянного тока, имеющую 10–20 тыс. витков (или намотать катушку с числом витков не менее 3000). Для усиления магнитного потока в катушку вставляют сердечник, набираемый из нескольких полос трансформаторной стали. Метод индукционной катушки весьма прост и пригоден для всех видов машин.

У асинхронных электродвигателей с фазным ротором помимо описанных выше способов скольжение может быть определено с помощью магнитоэлектрического амперметра, включаемого в одну из фаз ротора, а при наличии невыключаемого сопротивления в цепи ротора — с помощью вольтметра, присоединенного к кольцам ротора. Рекомендуется применять приборы с двусторонней шкалой. Скольжение асинхронного электродвигателя рассчитывается по числу полных колебаний стрелки прибора, так же как при использовании метода с индукционной катушкой.

Источник

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Скольжение асинхронного двигателя

В итоге взаимодействия магнитного поля с токами в роторе асинхронного мотора создается крутящий электрический момент, стремящийся уравнять скорость вращения магнитного поля статора и ротора.

Разность скоростей вращения магнитного поля статора и ротора асинхронного мотора характеризуется величиной скольжения s = (n 1 — n 2 ) / n 2, где n 1 — синхронная скорость вращения поля, об/мин, n2 — скорость вращения ротора асинхронного мотора, об/мин. При работе с номинальной нагрузкой скольжение обычно не достаточно, так для электродвигателя, к примеру, с n 1 = 1500 об/мин, n2 = 1 460 об/мин, скольжение равно:s = ((1500 — 1460) / 1500 ) х 100 = 2,7%

Асинхронный движок не может достигнуть синхронной скорости вращения даже три отсоединенном механизме, потому что при ней проводники ротора не будут пересекаться магнитным полем, в их не будет наводиться ЭДС и не будет тока. Асинхронный момент при s = 0 будет равен нулю.

В исходный момент запуска в обмотках ротора протекает ток с частотой сети. По мере ускорения ротора частота тока в нем будет определяться скольжением асинхронного мотора : f2 = s х f1, где f1 — частота тока, подводимого к статору.

Сопротивление ротора находится в зависимости от частоты тока в нем, при этом чем больше частота, тем больше его индуктивное сопротивление. С повышением индуктивного сопротивления ротора возрастает сдвиг фаз меж напряжением и током в обмотках статора.

При пуске асинхронных движков коэффициент мощности потому существенно ниже, чем при обычной работе. Величина тока определяется эквивалентным значением сопротивления электродвигателя и приложенным напряжением.

Величина эквивалентного сопротивления асинхронного мотора с конфигурацией скольжения меняется по сложному закону. При уменьшении скольжения в границах 1 — 0,15 сопротивление возрастает, обычно, менее чем в 1,5 раза, в границах от 0,15 до s н ом в 5-7 раз по отношению к исходному значению при пуске.

Ток по величине меняется назад пропорционально изменению эквивалентного сопротивления Таким макаром, при пуске до скольжения порядка 0,15 ток опадает некординально, а в предстоящем стремительно миниатюризируется.

Момент вращения может быть также определен по электрической мощности на валу как отношение этой мощности к угловой скорости ротора. Величина момента пропорциональна квадрату напряжения и назад пропорциональная квадрату частоты.

З начения момента для номинального напряжения приводятся в каталогах для электронных машин. Познание малого момента нужно при расчете допустимости запуска либо самозапуска механизма с полной нагрузкой механизма. Потому его значение для определенных расчетов должно быть или определено, или получено от завода-поставщика.

Величина наибольшего значения момента определяется индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора и не находится в зависимости от величины сопротивления ротора.

Критичное скольжение определяется отношением сопротивления ротора к эквивалентному сопротивлению (обосновано активным сопротивлением статора и индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора).

Повышение только активного сопротивления ротора сопровождается повышением критичного скольжения и перемещением максимума момента в область более больших скольжений (наименьшей скорости вращения). Таким методом может быть достигнуто изменение черт моментов.

Источник

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂ Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

Управление асинхронным двигателем

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Фазный ротор

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.

Источник