Общие сведения и конструкция асинхронного двигателя
Принцип образования вращающегося магнитного поля машины. Принцип действия асинхронного двигателя. Уравнение вращающегося момента. Пуск, регулирование частоты вращения и торможение. Однофазные асинхронные двигатели. Двухфазный конденсаторный двигатель.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.12.2008 |
| Размер файла | 195,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Общие сведения и конструкция асинхронного двигателя
Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.
Буква "а" здесь играет как бы роль отрицания или нестрогого следования ротора за синхронно вращающимся магнитным полем статора.
Создателем этой простой по конструкции, но удобной и надежной в работе машины является русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Асинхронный двигатель, впервые разработанный в 1889 году, практически не подвергся серьезным изменениям до наших дней.
В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока принадлежащее этому же автору.
Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.
Основными конструктивными элементами асинхронного двигателя являются неподвижный статор и подвижный ротор (рис. 5.1.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором от 0,1 мм до 1,5 мм. Пакет статора c целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внутренней полости статора имеются пазы, в которые укладываются провода обмотки. Листы статора перед сборкой в пакет изолируют слоем лака или окалины, полученной при их отжиге.
В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины.
В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.
Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой (рис. 5.1.2).
Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.
Двигатели большой мощности имеют на роторе фазную обмотку. Конструкция ее аналогична обмотке статора. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца. С помощью этих колец и токосъемных щеток к обмотке ротора подключают дополнительные сопротивления.
Принцип образования вращающегося магнитного поля машины
На статоре трехфазного двигателя расположены 3 обмотки (фазы), которые смещены в пространстве по отношению друг к другу на 120 эл. градусов. Токи, подаваемые в фазные обмотки, отодвинуты друг от друга во времени на 1/3 периода (рис. 5.2.1.).
Используя график изменения трехфазного тока, проставим на нем несколько отметок времени; tl, t2, t3,...tn. Наиболее удобными будут отметки, когда один из графиков пересекает ось времени.
Теперь рассмотрим электромагнитное состояние обмоток статора в каждые из принятых, моментов времени.
Рассмотрим вначале точку t1. Ток в фазе А равен нулю, в фазе С он будет положительным - (+) , а в фазе В - отрицательным (·) (рис. 5.2.2, а).
Поскольку каждая фазная обмотка имеет замкнутую форму, то конец фазной обмотки В-У будет иметь противоположный знак, т.е. У - (+), а конец Z обмотки C-Z - (·).
Известно, что вокруг проводника с током всегда образуется магнитное поле. Направление его определяется правилом правоходового винта ("буравчика").
Проведем силовую магнитную линию вокруг проводников С и У и, соответственно, В и Z (см. штриховые линии на рис. 5.2.2 a).
Рассмотрим теперь момент времени t2. В это время тока в фазе В не будет. В проводнике А фазы А-Х он будет иметь знак (+), а в проводнике С фазы C-Z он будет иметь знак (·). Теперь проставим знаки: в проводнике Х - (·), а в проводнике Z - (+).
Проведем силовые линии магнитного поля в момент времени t2 (рис. 5.2.2,б). Заметим при этом, что вектор ? совершил поворот.
Аналогичным образом проведем анализ электромагнитного состояния в фазных обмотках статора в момент времени t3,…tn (рис. 5.2.2, б, в, г, д).
Из рисунков 5.2.2 наглядно видно, что магнитное поле в обмотках и его поток Ф совершают круговое вращение.
Частота вращения магнитного поля статора определяется следующей формулой:
где f - частота тока питающей сети, Гц; p - число пар полюсов.
Если принять f=50 Гц, то для различных чисел пар полюсов (р=1, 2, 3, 4, ) n1=3000, 1500, 1000, 750, об/мин.
Принцип действия асинхронного двигателя
Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу - Fэм. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.
Частота вращения ротора n2 будет всегда меньше синхронной частоты n1, т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой n2 равной частоте вращающегося поля статора n1. В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n2 и ротора n1 называется частотой скольжения ?n.
.
Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:
.*)
В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение Sн обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:
Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора - вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается.
ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.
Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения ?n. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС E2, частота которой f2 связана со скольжением S:
Учитывая, что f1=рn1/60, f2=рn1S/60.
Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при f1=50 Гц).
SP=Pсl+Рэ1+Рэ2+Рмех.+Рдоб.
Коэффициент полезного действия есть отношение мощности на валу P2 к потребляемой мощности P1:
Уравнение вращающегося момента
Вращающий момент в асинхронном двигателе создается взаимодействием тока ротора с магнитным полем машины. Вращающий момент математически можно выразить через электромагнитную мощность машины:
,
где w1=2pn1/60 - угловая частота вращения поля.
В свою очередь, n1=f160/Р, тогда
.
Подставим в формулу M1 выражение Рэм=Рэ2/S и, разделив на 9,81, получим:
,
Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I2':
,
получим
,
где U1 - фазное напряжение обмотки статора.
Пуск, регулирование частоты вращения и торможение асинхронного двигателя
На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 - 10 раз.
Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рис. 5.13.1. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.
Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя отключаются.
Иногда для снижения напряжения, подаваемого в обмотки статора, изменяют схему переключения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по схеме "треугольник". Если на период пуска его обмотки включить "звездой", то на каждую фазу придется напряжение в раз меньшее.
Двигатели с фазным ротором пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя определяется формулой:
.
Здесь возможны три различных способа реализации:
Первый заключается в изменении частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока еще очень дороги, поэтому они мало применяются.
Второй способ связан с изменением пар полюсов p на статоре.
Укладывая на статоре несколько обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится специальным переключателем.
Этот способ регулирования ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем и обратном ходе).
Третий способ регулирования частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах.
К категории регулирования вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора. На рис. 5.13.2. показана схема изменения направления вращения вала двигателя.
Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим.
К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д.
Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно сокращает выбег ротора.
Чаще используется торможение "противовыключением". После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения ротора n2 станет равной нулю, двигатель отключается от сети.
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 ФI и ФII, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим ФI прямым потоком, а ФII - обратным. Частота вращения каждого потока - n1I=n1II=n1.
Предположим, что ротор двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя относительно прямого потока ФI равно:
,
а относительно обратного потока:
.
Потоки ФI и ФII наводят в обмотке ротора ЭДС E2I и E2II, которые создают токи I2I и I2II. Известно, что частота тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f2=Sf1. Т.к. SII>SI, то ток, наведенный обратным полем, имеет частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f2II>f2I.
Пусть n1=1500 об/мин, n2=1450 об/мин, f1=50 Гц, тогда:
SI =(1500-1450)/1500=0,03 f2I=50Ч0,03=1,5 Гц
SII=(1500+1450)/1500=1,96 f2II=50Ч1,96=98 Гц
Нам также известно, что индуктивное сопротивление роторной обмотки x2 зависит от частоты f2:
Поскольку f2I<<f2II, то и сопротивление x2I<<x2II
Переходя к токам I2, которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x2, можно записать: I2I>>I2II.
Вращающие моменты двигателя пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI2).
Исходя из значений токов I2I и I2II и учитывая, что ФI=ФII можно записать:
MI>>MII.
Следовательно, если ротор двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться в этом направлении. Тормозящее воздействие МII не будет оказывать заметного влияния на работу двигателя.
Вспомним, что мы условно предполагали вращение ротора в сторону прямого потока ФI. А если бы он вращался вначале в сторону обратного потока ФII?
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 Мп=О. Двигатель при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или иную сторону.
Если сдвинуть точку Мп 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 ПО отключают. Делается это с помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки производится автоматически по ходу разгона двигателя.
Двухфазный конденсаторный двигатель
Двухфазный конденсаторный двигатель имеет на статоре две обмотки ОВ и ОУ, рассчитанные на длительное протекание тока. Обмотки располагаются в пространстве под углом 90 эл. градусов), а последовательно одной из них включают конденсатор С.
Двухфазный конденсаторный двигатель переменного тока обладает вращающимся магнитным полем (правда, не круговым, а эллиптическим). Поэтому он не нуждается в специальных пусковых устройствах (рис. 5.15 1.).
Двухфазный асинхронный двигатель, в отличие от трехфазного, имеет возможность плавного регулирования частоты вращения ротора.
Делается это одним из двух способов: амплитудным (изменением напряжения Uy) и фазным (изменением емкости конденсатора С).
Двухфазные двигатели получили широкое распространение в бытовых приборах и лабораторной практике.
В отличие от рассмотренных выше типов двигателей, интересен двигатель с полым ротором. Он имеет два статора, между которыми располагается ротор (рис. 5.15.2.).
Наружный статор 1 имеет обычно конструкцию с двухфазной обмоткой 4. Фазные обмотки сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90°. Внутренний статор 3 представляет собой пакет электротехнической стали без обмотки. В воздушном зазоре между статорами помещен ротор двигателя 2, который не имеет обмотки и выполнен в виде стакана с тонкими стенками из немагнитного материала (алюминия). Посредством втулки 6 ротор укреплен на валу двигателя 5. Такая конструкция обеспечивает ему незначительную инерцию и делает двигатель чувствительным даже к небольшим импульсам (сигналам) тока. Этому также способствует наличие второго статора, который уменьшает сопротивление магнитной цепи. Одна из фаз обмоток статора включается на напряжение сети Uс, другая является управляющей обмоткой. Когда напряжение на ней отсутствует, ротор неподвижен. С появлением управляющего сигнала Uу достаточной величины статор создает двухфазное вращающееся поле, и двигатель развивает вращающий момент, величина которого пропорциональна Uc.
Работа этого двигателя основана на взаимодействии магнитного поля статора с вихревыми токами, наведенными на поверхность полого ротора.
Машины с полым ротором весьма чувствительны к изменениям напряжения сигнала и его продолжительности, что дает возможность применять их в качестве исполнительных двигателей.
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.
Подобные документы
Устройство трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором. Назначение основных конструктивных элементов. Зависимость параметров двигателя от скольжения. Механическая характеристика ТАД и параметры её точек, пуск двигателей в ход.
контрольная работа [308,0 K], добавлен 25.07.2013Конструкция и принцип действия тягового двигателя. Технические данные двигателей ТЛ-2К1 и НБ-418К6 и их сравнительный анализ. Электрическая схема двигателя последовательного возбуждения с ее описанием и кривая намагничивания тягового двигателя Ф(Iя).
лабораторная работа [976,3 K], добавлен 02.04.2011Расчет внешней скоростной характеристики двигателя автомобиля. Определение скорости движения, времени и пути разгона машины. Расчет динамического фактора автомобиля. Определение крутящего момента двигателя и минимальной частоты вращения коленчатого вала.
курсовая работа [155,5 K], добавлен 23.06.2009Судовой двигатель как объект управления и регулирования. Определение приведенного момента инерции двигателя. Построение скоростных статических характеристик мощности пропульсивного комплекса судна. Моделирование и оценка качества переходных процессов.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 10.06.2013Теоретические и практические аспекты технического обслуживания и ремонта электрических машин подвижного состава железнодорожного транспорта. Разработка технологического процесса для ремонта асинхронного тягового двигателя с короткозамкнутым ротором.
дипломная работа [5,6 M], добавлен 23.09.2011Назначение, устройство и принцип работы системы пуска. Техническое обслуживание двигателя ВАЗ-2106. Возможные неисправности и способы устранения. Замена муфты свободного хода стартера двигателя. Инструменты и материалы, применяемые при ТО и ремонте.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 21.07.2015Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования, статическая и динамическая характеристика. Расчёт регулятора, его динамика. Обороты вала двигателя на холостом ходу. Структурная схема системы регулирования частоты вращения вала двигателя.
курсовая работа [261,5 K], добавлен 09.06.2012Расчет внешней скоростной характеристики двигателя. Определение минимальной частоты вращения коленчатого вала, крутящего момента двигателя. Расчет скорости движения автомобиля. Тяговая сила на ведущих колесах. Динамический фактор по сцеплению с дорогой.
курсовая работа [238,1 K], добавлен 23.10.2014История создания стационарного одноцилиндрового дизельного двигателя. Характеристика его и устройство, принцип работы, описание рабочего цикла. Анализ вариантов конструкций, их основные преимущества и недостатки. Скоростные характеристики двигателей.
контрольная работа [623,9 K], добавлен 27.12.2013История создания универсального парового двигателя. Понятие коэффициента полезного действия. Паровая машина Уатта. Принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Такт сжатия и такт рабочего хода. Рабочие циклы двухтактных двигателей.
презентация [985,6 K], добавлен 15.12.2014
