Введение

Электродвигатели переменного тока общего назначения - электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, а также являются наиболее совершенным и распространенным видом привода машин и механизмов, преобразующих электрическую энергию в механическую.

В основе работы электродвигателей лежит процесс электромагнитной индукции, которая возникает при движении проводящей среды в магнитном поле.

В качестве проводящей среды обычно используется обмотка, состоящая из достаточно большого количества проводников, соединенных между собой надлежащим способом. Магнитное поле в электродвигателе создается либо с помощью постоянных магнитов, либо возбуждающими обмотками, которые обтекаются токами. Электродвигатели обратимы, то есть могут работать по преобразованию электрической энергии в механическую и наоборот, в режиме генератора.

Электродвигатели состоят из защитного корпуса, в котором находится неподвижный полый цилиндрический статор, набранный из отдельных, изолированных друг от друга пластин электротехнической (магнитной) стали. На внутренней стороне статора в пазах расположены витки обмотки возбуждения из медной проволоки. Внутри статора располагается подвижный, вращающийся на валу ротор, состоящий тоже из стальных пластин, также изолированных друг от друга термостойким лаком. В пазах ротора располагаются витки медной обмотки. Обмотка статора подсоединяется к источнику переменного тока.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные, в зависимости от того, в каком отношении находится скорость вращения к частоте.

Электродвигатели переменного тока имеют номинальный режим работы, который соответствует продолжительному режиму, кратковременному, повторно-кратковременному или перемежающимися режиму работы. Также электродвигатели имеют номинальные параметры.

При изготовлении и выборе электродвигателей большое значение имеют условия их эксплуатации и климатические условия, в зависимости от которых используются разные виды электродвигателей, имеющие конструкционные особенности, делающие их пригодными для эксплуатации в различных условиях.

При выборе электродвигателя необходимо учитывать коэффициент их полезного действия, а также нужно учитывать потери электрической энергии в проводниках, питающих электродвигатель.

Электродвигатели переменного тока имеют большое значения для удовлетворения потребностей промышленного производства. Они используются в большинстве электроприводов. Так, например, синхронные электродвигатели используются в качестве двигателей в крупных установках, таких, как привод поршневых компрессоров, воздуховодов, гидравлических насосов и т. д.

Асинхронные двигатели также применяются в промышленности, например, для приводов крановых установок общепромышленного назначения, а также различных грузовых лебедок и других устройств, необходимых в производстве.

Можно сказать, что асинхронные электродвигатели переменного тока имеют огромное значение для большинства видов промышленности. Этим и объясняется целесообразность выбора и актуальности темы дипломной работы.

Целью данной дипломной работы является систематизация, накопление и закрепление знаний об асинхронных электродвигателях переменного тока.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить основные сведения об асинхронных электродвигателях переменного тока;

- проанализировать основные технические показатели;

- описать техническую реализацию.

Цель и задачи дипломной работы обусловили выбор ее структуры. Дипломная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной при написании работы литературы.

Глава 1. Общие сведения

Электрические двигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные двигатели.

Синхронные электрические двигатели - такие двигатели, скорость вращения которых находится в постоянном отношении к частоте электрической сети, для асинхронных - отношение непостоянно. Скорость вращения асинхронных двигателей изменяется с изменением нагрузки. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства/под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др. - 6-е изд.,испр. и доп. - М.:Энергоиздат, 1981

Асинхронные электродвигатели могут иметь преобразовательное устройство в виде коллектора (коллекторные машины), или быть без него (бесколлекторные).

Режим работы электродвигателей определяется основными энергетическими процессами, происходящими в них (двигательный, генераторный, тормозной и преобразовательный), а также режим работы должен иметь количественную оценку. Количественный режим работы характеризуется целым рядом электрических и механических величин: токами, напряжения, мощностью, скоростью вращения и другими. Электрический двигатель предназначен для работы в определенных внешних условиях с определенными значениями параметров (токи, напряжение, мощность и другие), при которых она эксплуатируется в течении заданного и достаточно длительного срока.

Указанные значения различных величин, определяющих режим работы электродвигателя носят названия номинальных, а сам режим - номинальный.

Наиболее важные номинальные величины указываются на специальном щитке электрического двигателя.

Если электродвигатель работает в режиме, по характеру подобному номинальному, со значением величин, отличающихся от номинальных, но не приводящих к снижению надежности электродвигателя, то это нормальный режим работы, в противном случае аномальный.

Все допустимые нормальные и аномальные режимы специально оговариваются в ГОСТ, технических условиях и инструкциях эксплуатации.

Наибольшее распространение среди электрических двигателей переменного тока получили асинхронные электродвигатели с трехфазной симметричной обмоткой на статоре, питаемые от сети переменного тока и с трехфазной или многофазной обмоткой на роторе.

Асинхронные двигатели в основном используются как двигатели, в то время как синхронные двигатели в основном используются как генераторы, так как электрический двигатель может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

Асинхронные электродвигатели малой мощности часто выполняют однофазными, что позволяет использовать их в устройствах, питаемых от двухпроводной сети. Эти двигатели широко применяются в бытовой технике.

В промышленности широкое применение получили трехфазные электрические двигатели, питаемые от трехпроводной промышленной сети.

В большинстве асинхронных электродвигателей применяется короткозамкнутый ротор. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора.

Асинхронные электродвигатели выпускаются отечественной промышленностью в виде единых серий, охватывающих все необходимые мощности и частоты вращения. В основном выпускаются двигатели для питания от сети с частотой 50Гц. Двигатели общего применения имеют твердую шкалу мощностей при всех частотах вращения.

Буквенное обозначение всех серий асинхронных двигателей включает букву А (асинхронный), следующие буквы, входящие в обозначение отражают особенности конструкции двигателя.

С 1978 года асинхронные двигатели мощность от 0,06 до 400 кВт при частоте вращения от 500 до 3000 оборотов в минуту выполняются главным образом в виде серии 4А, которая заменила в этом диапазоне мощностей серию А2. Двигатели 4А в полной мере удовлетворяют рекомендациям МЭК (Международная электротехническая комиссия) в отношении габаритов и установочно-присоединительных размеров, что обеспечивает взаимозаменяемость отечественных электродвигателей с зарубежными электродвигателями.

В основном выпускаются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, предназначенные для общего применения в промышленности в условиях умеренного климата.

Номинальные значения климатических факторов определяются по действующим ГОСТам, но при этом высота над уровнем моря должна быть не более 1000м, воздушная среда с запыленностью не более: 2 мг на метр кубический для двигателей защищенного исполнения и 10 мг на метр кубический для двигателей закрытого обдуваемого исполнения (среда не взрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров, разрушающих металлы и изоляцию, а также токопроводящие части)

Номинальные данные двигателя относятся к продолжительному режиму работы при питании от сети 50Гц.

По степени защищенности от воздействия окружающей среды двигатели изготавливают в двух вариантах: защищенные (1P23) и закрытые обдуваемые (1P44).

Двигатели имеют стандартную шкалу мощностей, применяемую при всех частотах вращения: 0,06; 0,09; 0,12; 0,18; 0,25; 0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 5,5; 7,5; 11,0; 15,0; 18,5; 22; 30; 37; 45; 55; 75; 90; 110; 132; 160; 200; 250; 315; 400 кВт.

Шкала высот осей вращения (над фундаментной плитой) соответствует рекомендациям МЭК: 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 132; 160; 180; 200; 225; 250; 280; 315; 355 мм.

При обозначении электродвигателей цифрой указывается порядковый номер серии, затем наименование двигателя - например А (асинхронный); далее обозначается исполнение двигателя (например: Н - защищенное исполнение); затем указывается материал из которого сделана станина и щиты двигателя (А - станина и щиты из алюминия, X - станина из алюминия и чугунные щиты); далее 50-355 - высота оси вращения; S,L,M - установочные размеры по длине корпуса; A,B - обозначается длина магнитопровода (A - первая длина, вторая длина - B).

Также указывается число полюсов двигателей: 2, 4 , 6, 8, 10, 12; климатическое исполнение, учитывающее возможность перегрева двигателя при работе и повреждении его изоляции (У - умеренный климат, С - северное, Т - тропическое), далее указывается категория размещения цифрой в соответствии со стандартом ( например - 3).

Например: 4АА56А2У3 -электродвигатель серии 4, асинхронный, закрытого исполнения, станина и щиты из алюминия, с высотой оси вращения 56 мм, магнитопровод первой длины, двухполюсной, для районов умеренного климата, 3 категории размещения. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с., ил.

Двигатели мощностью 0,12 … 0,37 кВт изготавливаются на напряжение 220 … 380 В, 0,55 … 110 кВт - на напряжение 220 … 380 и 380 … 680 В, мощностью 132 … 400 кВт на напряжение 380 … 680 В.

Помимо основного исполнения серия имеет ряд электрических модификаций и несколько специализированных исполнений: химостойкие, влагоморозостойкие на частоту 60 Гц и другие. Размеры всех модифцированных и специализированных исполнений совпадают с размерами соответствующих двигателей основного исполнения. Отрезок серии имеет твердую шкалу мощностей: 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250 кВт.

Для каждого из габаритов бывают 2-3 варианта двигателей в зависимости от длины магнитопровода.

По способу защищенности от воздействия окружающей среды двигатели имеют два исполнения: брызгозащитное (обеспечивает защиту от попадания внутрь капель, падающих под углом 60 градусов к вертикали (двигатели обозначаются А2); закрытые двигатели - обеспечивают защиту от попадания твердых тел диаметром не менее 1 мм и брызг воды любого направления (двигатели обозначаются АО2).

Синхронные электродвигатели - двухобмоточные электрические машины, одна из обмоток которых присоединяется к электрической сети с постоянной частотой вращения, а 2 обмотка возбуждается постоянным током, частота вращения ротора не зависит от нагрузки.

Применяются в качестве двигателей в крупных установках (привод поршневых компрессоров, воздухопроводов и т. д.), в основном используются в качестве генераторов.

Номинальные данные для синхронных двигателей: механическая мощность на валу двигателя кВт; коэффициент мощности; КПД; схема соединений фаз обмоток статора; линейное напряжение обмотки статора В; частота вращения (об/мин); частота тока статора Гц; линейный ток статора А; напряжение и ток обмотки возбуждения.

Каждый двигатель маркируется. На корпусе каждого двигателя должна быть прочно укреплена табличка, на которой указаны: товарный знак предприятия-изготовителя; тип двигателя с указанием климатического исполнения и категории; заводской номер двигателя; номинальный режим работы; номинальные - мощность, кВт; напряжение,В; сила тока, А; частота вращения, об/мин; система возбуждения; напряжение параллельной обмотки, В; масса; год выпуска; стандарт.

Для двигателей взрывозащищенных на видном месте должны быть нанесены знак взрывозащиты (ВЗГ) и возле заземляющих зажимов - знаки заземления.

Асинхронные электродвигатели переменного тока нашли самое широкое применение в промышленности, они используются для привода быстроходных механизмов, для привода насосов, вентиляторов, прокатных станов и т.д.

Асинхронные электродвигатели применяются во многих отраслях промышленности.

Глава 2. Основные технические показатели

При описании основных технических показателей асинхронного электродвигателя электрического двигателя переменного тока учитываются такие характеристики, как:

Коэффициент их полезного действия, определяемый как отношение полезно затрачиваемой им мощности ко всей мощности, которая подводится к рассматриваемому оборудованию.

Коэффициент полезного действия линии электропередачи, который называется коэффициентом мощности или величиной «косинуса фи». Этот коэффициент равен отношению активной мощности электрической цепи к полной подведенной к ней мощности. Величина косинуса фи зависит от устройства и принципа действия электрического оборудования, электрических сетей и систем. Чем больше величина косинуса, чем ближе она к 1, тем эффективнее и экономнее расходуется электроэнергия. Эта величина не должна быть ниже 0,9.

При оценке электродвигателей также используются их рабочие характеристики, которые представляют собой зависимости параметров двигателя от мощности на валу. Ими являются: скоростная, моментная, характеристика коэффициента мощности, характеристика КПД.

Также существуют следующие характеристики, позволяющие охарактеризовать данный вид продукции:

Номинальный режим работы - режим работы, для которого двигатель предназначен.

Номинальные параметры электрической машины, характеризующие номинальный режим ее работы, относятся к работе машины на высоте до 1000м над уровнем моря и при температуре газообразной охлаждающей среды до +40 градусов Цельсия и охлаждающей воды до +30 градусов.

Номинальные режимы работы электрических машин, которые включают продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы.

Номинальная мощность - полезная механическая мощность на валу, выражается в Вт, кВт, МВт, указывается на заводском щитке электродвигателя.

Номинальное напряжение - соответствующее номинальному режиму работы электродвигателя.

Номинальное напряжение возбуждения электродвигателя

Номинальный ток электрического двигателя - ток, соответствующий номинальному режиму работы.

Номинальный ток возбуждения электродвигателя - ток возбуждения, соответствующий номинальному режиму работы.

Номинальная частота вращения электрической машины

Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя.

К параметрам, необходимым для характеристики электродвигателей также относятся: рабочая температура отдельных частей электродвигателя, коэффициент инерции, начальный пусковой ток, начальный пусковой вращающий момент, минимальный вращающий момент, максимальный вращающий момент, предельно допускаемые превышения температур частей электродвигателя, высота оси вращения электродвигателя.

Технико-экономические показатели - размеры, масса и стоимость электродвигателя - зависят от его главных размеров - внутреннего диаметра сердечника якоря и его длины. В свою очередь главные размеры зависят от мощности двигателя, частоты вращения, а также основных электромагнитных нагрузок в номинальном режиме - индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки.

Вся совокупность параметров позволяет охарактеризовать асинхронный электродвигатель переменного тока.

В таблице 1 приведены технические характеристики асинхронного электродвигателя переменного тока.

Таблица 1

Технические характеристики асинхронного электродвигателя переменного тока

Глава 3. Техническая реализация

Для технической реализации системы с поддержанием постоянства коэффициента полезного действия асинхронного электродвигателя необходимо знать либо мгновенные величины относительного скольжения либо величину угла между током статора и потокосцеплением ротора. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронным двигателем - М.: Энергоиздат, 1982. - 216 c.-

Измерить скольжение можно с помощью электромеханического или цифрового датчика скорости, угол между I₁ и Y₂ - с помощью датчиков напряжения и датчиков фазных токов. Так как датчик скорости существенно повышает стоимость системы регулирования, эксплуатационные затраты и ухудшает общую надежность системы, то более предпочтителен вариант системы с обратной связью по углу между векторами тока статора и потокосцепления ротора.

Рис. 1. Алгоритм определения угла между I₁ и Y₂

Существующие в настоящее время методы определения угла между I₁ и Y₂, например [1, 2, 3], имеют низкое быстродействие (не более шести измерений искомого угла за один оборот вектора поля) и невысокую точность измерения, обусловленную “дрейфом нуля” аналоговых элементов схемы и вводом в алгоритм определения углов активного сопротивления статора, значение которого изменяется в широких пределах при нагреве двигателя.

Рассмотрим алгоритм определения угла между I₁ и Y₂, лишенный вышеуказанных недостатков (рис. 1). Для обоснования алгоритма построим векторную диаграмму асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, отложив вдоль действительной оси R_a ток намагничивания I₀, определенный по известным реактивным параметрам асинхронного двигателя и измеренным значениям фазных токов и напряжений.

Значение углов между I₁ и Y₂ можно определить в реальном масштабе времени, когда вращение вектора тока статора статора I₁ определяется частотой питания асинхронного двигателя и в ускоренном масштабе времени, когда вращение вектора тока I₁ определяется в модели выбранным шагом временного интервала и быстродействием микропроцессорной системы. Второй вариант измерения углов более предпочтителен, так как позволяет осуществить больше измерений.

По измеренным значениям фазных токов двигателя определяем величину вектора тока I₁ и совмещаем его в модели с действительной осью Ra, а затем переводим (в произвольный момент времени t₁) вектор тока I₁ в неподвижную, относительно статора, систему координат, то есть начинает выполняться программа, согласно которой вектор тока I₁ поворачивается против часовой стрелки со скоростью, определяемой быстродействием микропроцессорной системы и выбранным шагом временного интервала.

Рис. 2. Т-образная схема замещения

Из Т-образной схемы замещения (рис. 2) видно, что

,

то есть векторы тока и потокосцепления ротора взаимно перпендикулярны. В процессе поворота угол между векторами I₀ и Y₂ g(t) будет изменяться согласно выражения:

(1),

где a=w₀t - текущий угол между вектором тока статора и действительной осью Ra. В момент времени t₂ вектор тока статора I₁ займет положение OC, при котором векторы тока ротора I₂ и потокосцепления ротора Y₂ взаимно перпендикулярны, то есть g(t₂)=g.

Рис. 3. Образование произвольного угла JОпределим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 3).

Заключение

В заключении подведем основные итоги дипломной работы.

Асинхронные двигатели применяются в промышленности, например, для приводов крановых установок общепромышленного назначения, а также различных грузовых лебедок и других устройств, необходимых в производстве.

Можно сказать, что асинхронные электродвигатели переменного тока имеют огромное значение для большинства видов промышленности.

Целью данной дипломной работы являлись систематизация, накопление и закрепление знаний об асинхронных электродвигателях переменного тока.

Для реализации данной цели были решены следующие задачи:

- изучить основные сведения об асинхронных электродвигателях переменного тока;

- проанализировать основные технические показатели;

- описать техническую реализацию.

Асинхронные электродвигатели переменного тока имеют огромное значение для промышленности, они неприхотливы, надежны, имеют большую долговечность и более просты по устройству и более дешевы чем электродвигатели постоянного тока. Недостатки электродвигателей устраняются при помощи различных модификаций, таких как двухклеточный ротор и глубокий паз на роторе и другими.

Список литературы

1. К.П.Ковач, И.Рац. Переходные процессы в машинах переменного тока. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, 744 стр.

2. Эпштейн И. И. Автоматизированный электропривод переменного тока. - М.: Энергоиздат, 1982 - 192 c., ил.

3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с., ил.

4. В. Л. Грузов, Ю. А. Сабинин. Асинхронные маломощные приводы со статическими преобразователями. Л.: "Энергия", 1970, 136 с.

5. Токарев Б. Ф. Электрические машины. Учеб. пособие для вузов. - М: Энергоатомиздат, 1990: - 642 с.: ил.

6. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронным двигателем - М.: Энергоиздат, 1982. - 216 c.

7. Основные виды промышленного оборудования, электрооборудования и приборов/Под ред. Ю.А. Новак, Э.И. Иваницкой. - М.: Высшая школа,1986

8. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства/под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др. - 6-е изд.,испр. и доп. - М.:Энергоиздат, 1981

9. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1981