Вопрос 13:Где используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором?
Ответ 13:
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором используются в электроприводе (с регулированием скорости оборотов), транспортерах, в подъемных механизмах, вентиляторных установках, компрессорах, нагнетающих (жидкостных) насосах, различных мешалках(бетон, тесто), шаровые мельницы, дробильные установки, пилорамы, привод станков.
Контрольные вопросы для тестирования
Что называют машиной переменного тока?
Перечислите режимы работы машин переменного тока.
По каким показателям можно определить режим работы асинхронной машины?
Что называют электромагнитным моментом? Единицы измерения.
Как направлен вектор магнитной индукции катушки с током? Привести рисунок.
Каким образом электрическая энергия потребляемая АД из сети преобразуется в механическую энергию вращения ротора?
Что называют числом пар полюсов машины?
Принцип действия однофазных АД (с пусковой обмоткой
Принцип действия однофазных (2-х обмоточных) АД с фазосдвигающим конденсатором. ?
Тема № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цели работы: 1) ознакомиться с устройством и принципом действия, пуском в ход и способами регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения;
2) изучить основные характеристики двигателя и методику их снятия.
Работа выполняется
на универсальном стенде (рис.47). В качестве
нагрузки двигателя постоянного тока
М
1 используется трехфазный асинхронный
двигательМ
2, работающий в режиме
динамического тормоза. Чтобы асинхронный
двигатель функционировал как тормоз,
его статорная обмотка питается постоянным
током от мостового выпрямителя,
включенного во вторичную цепь
автотрансформатораТ
. Вращая движок
автотрансформатора, устанавливают ток
тормоза
и, тем самым, задают необходимый тормозной
момент на валу двигателя. Для измерения
тока тормоза используется амперметрРА
1. Автотрансформатор включается
в сеть переменного тока выключателемQ
1.
В цепь якоря
исследуемого двигателя М
1 включен
пусковой реостат
,
в цепь обмотки возбуждения - регулировочный
реостат
и амперметрРА
3, измеряющий ток
возбуждения. Двигатель включается в
сеть постоянного тока выключателемQ
2 .
Напряжение сетиU
измеряется вольтметромPV
,
а ток двигателя
- амперметромРА
4.
Электрическая цепь стенда представлена на рис. 46. Частота вращения двигателя измеряется тахометром, не показанном на схеме. Шкала данного прибора отградуирована в об/мин (с коэффициентом 2/3).
Контрольные вопросы
Вопрос 1.Объяснить устройство и принцип действия двигателя параллельного возбуждения.
Ответ1: Двигатель постоянного тока служит для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию. Двигатель параллельного возбуждения, состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся – ротора. Конструкция и электрическая схема соединения представлена на рис.48 и рис.49 соответственно.
Статор представляет собой стальной корпус – станину, на внутренней цилиндрической поверхности которого укреплены сердечники полюсов с полюсными наконечниками. На сердечники надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения, подключенную к источнику постоянного тока. Обмотка возбуждения расположена на главных (основных) полюсах и создает основной магнитный поток двигателя. Кроме главных полюсов на станине могут быть дополнительные полюса, предназначенные для улучшения коммутации.
Ротор состоит из якоря и коллектора, которые крепятся на одном валу и в механическом отношении составляют одно целое. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали для снижения магнитных потерь. В его пазах уложена обмотка, выполненная из отдельных секций соединенных между собой и с коллекторными пластинами.
Коллектор представляет собой цилиндр, составленный из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. На коллектор накладываются неподвижные графитовые (медно-графитовые) щетки, посредством которых осуществляется соединение обмотки якоря с источником постоянного тока. Коллектор и щетки предназначены для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности (например, северного полюса) в зону полюса другой полярности – (южного полюса). Благодаря этому сохраняется неизменным направление вращения якоря.
При подключении
двигателя к источнику постоянного тока
в обмотках возбуждения и якоря появляются
токи (
и
)
В результате взаимодействия тока якоря
с магнитным потоком, создаваемым обмоткой
возбуждения, возникает сила Ампера и,
соответственно, электромагнитный момент
вращения:
,
где
- коэффициент, зависящий от конструктивных
параметров двигателя;
- ток якоря;
- магнитный поток машины.
Полезный вращающий
момент на валу двигателя М
меньше
электромагнитного момента на величину
потерь холостого хода
,
обусловленного механическими и магнитными
потерями.
В установившемся режиме момент вращения равен тормозному моменту
.
При вращении якоря
его проводники пересекают магнитное
поле и в них наводится ЭДС
,
где
- частота вращения якоря;
- величина постоянная для данной машины.
Так как ЭДС направлена против тока якоря, то ее называют противо-ЭДС.
Сегодня область применения электродвигателей весьма обширна, и одним из самых популярных и используемых типов двигателя является асинхронный электрический двигатель. Но и сам асинхронный электродвигатель делится на два вида:
- с короткозамкнутой обмоткой ротора (короткозамкнутый ротор), фазным ротором;
- двигатель Шраге-Рихтера (с питанием со стороны ротора).
Применение асинхронных электродвигателей
Асинхронные двигатели могут работать в двух режимах работы: в качестве генератора и в качестве электродвигателя. Это показывает, что они могут использоваться в качестве источника электрического тока в автономных передвижных источниках электроэнергии.
Применение асинхронных двигателей в качестве тяговой силы более обширно и затрагивает многие области жизнедеятельности человека. Они нашли широкое применение, как в бытовых электроприборах малой мощности, так и в технологическом оборудовании предприятий и сельском хозяйстве.
Виды основных неисправностей, их диагностика и необходимый ремонт асинхронного электродвигателя
Не смотря на то, что асинхронные электродвигатели обладают высокой надежностью и низкой себестоимостью изготовления, что и обусловило их популярность, они, тем не менее, выходят из строя. Некоторые неисправности электродвигателей можно диагностировать только на специализированном оборудовании и требуют ремонта в условиях завода по производству и ремонту электродвигателей. Однако, есть неисправности, которые можно диагностировать самостоятельно и устранение которых возможно в условиях вашего производства.
Одной из таких неисправностей является то, что электродвигатель при запуске не набирает нормальную скорость или же не вращается. Причины этой неисправности могут иметь электрическую или механическую природу. К электрическим причинам относится внутренний обрыв в обмотке ротора или статора, нарушение соединений в пусковой аппаратуре или обрыв в питающей сети. Если произошел обрыв внутренних обмоток двигателя, в случае соединения их по схеме «треугольник», то необходимо вначале их разомкнуть. После этого, при помощи мегаомметра определяется фаза, в которой произошел обрыв. После определения обрыва, обмотку электродвигателя перематывают заново и вновь собирают и устанавливают на место.
Понижение напряжения в сети, плохие контакты в обмотке ротора или большое сопротивление в цепи ротора электродвигателя с фазным ротором приводит к тому, что скорость вращения электродвигателя при полной нагрузке оказывается ниже номинальной. Плохие контакты в обмотке выявляются при помощи подачи напряжения (20 -25% от номинального) в статор электродвигателя. При этом, заторможенный ротор проворачивается вручную и проверяется сила тока во всех фазах статора. В исправном роторе, сила тока во всех положениях одинакова. В том случае, если в пайке лобовых частей нарушен контакт, то будет отмечаться падение напряжения. Максимально допустимая разница в показаниях не должна превышать 10%.
Разворачивание электродвигателя при разомкнутой цепи фазного ротора. Причиной подобной неисправности является короткое замыкание в обмотке ротора. Данная неисправность внимательным внешним осмотром, а также измерением сопротивления изоляции обмотки ротора. В том случае, если осмотр не дает результатов, то она определяется при помощи определения неравномерного нагрева обмотки ротора. При этом ротор затормаживается, а к статору подводится пониженное напряжение.
Равномерный нагрев электродвигателя выше допустимой нормы возникает из-за длительной перегрузки и ухудшения работы системы охлаждения. Эта неисправность приводит к преждевременному износу изоляции обмоток.
Местный нагрев обмотки статора возникает из-за замыкания обмотки на корпус в 2 местах, ошибочного соединения катушек в какой-либо фазе, замыкания между 2 фазами или короткого замыкания между витками обмотки в одной из фаз обмотки статора. Диагностировать данную неисправность можно при помощи уменьшения скорости вращения электродвигателя, сильного гудения или запаха перегретой изоляции. Определение поврежденной обмотки производится при помощи измерения сопротивления (поврежденная фаза имеет меньшее сопротивление), или при помощи измерения силы тока при подводе пониженного напряжения.
При соединении обмоток по схеме «звезда», сила тока в поврежденной фазе будет выше, нежели в остальных. В случае использования «треугольника», линейный ток в исправных проводах будет иметь более высокое значение.
Выгорание или оплавление стали, возникающие при коротком замыкании обмотке статора, замыкании стальных листов из-за касания статора о ротор или из-за разрушения изоляции приводит к местному нагреву активной стали ротора. В этом случае, появляется дым, запах гари, искры, усиливается гудения двигателя. Данная неисправность возникает из-за износа или неправильной установки подшипников, сильной вибрации или одностороннего притяжения ротора к статору (витковые замыкания в обмотке статора).
Асинхронным двигателям трудно найти замену. Асинхронным считается мотор, работающий от переменного тока, в котором обороты ротора, не совпадают с оборотами магнитного поля, инициирующего ток в обмотке статора.
Общее описание
У асинхронной машины по сравнению с машиной постоянного тока полюса не явно выражены, т. е. это неявнополюсная магнитная система. Чтобы уменьшить вихревые токи, статорный сердечник набран из изолированных штампованных стальных листов 0,35-0,5 мм в толщину, закрепленных в стальном остове. Пазы статора заполнены обмоткой из медного провода. Обмотки статорных фаз могут соединяться в «звезду» или «треугольник», для этого их входы и выходы располагаются на специальном изолированном от корпуса щитке. Это создает массу удобств, поскольку есть возможность подводить к обмоткам статора напряжение разной величины. Ротор в асинхронной машине, как и охватываемая деталь, состоит из электротехнических стальных листов, а в пазы заложена обмотка. В функции от исполнения ротора асинхронных моторов машины бывают короткозамкнутыми и фазными. Не изолированная обмотка из меди короткозамкнутого ротора в виде стержней укладывается в его пазах. Торцы стержней соединяют медные кольца. Обмотка такого типа названа «беличьей клеткой». Иногда вместо нее пользуются отлитым узлом вращения. Из асинхронных машин с фазным ротором (наличие контактных колец) состоят мощные приводы. Также ими создается большое усилие в момент трогания с нуля. С этой целью в их обмотки включается реостат пуска. В мощных машинах между ротором и статором зазор составляет 1-1,5 мм, в моторах малой мощности он и того меньше. Вал опирается на подшипники, установленные в крышках.
Принцип работы
Движущей силой в асинхронной машине является магнитное поле вращения. Как это работает, можно рассмотреть на следующем примере. При вращении П-образного магнита, между полюсами которого расположен свободно вращающийся металлический цилиндр, поле магнита, вращаясь, будет пересекать ротор посредством своих силовых линий. Внутри ротора при этом наведутся токи Фуко и магнитное поле. Эти поля, взаимодействуя друг с другом, начнут крутить ротор. Магнит и, создаваемое им поле, будут вращаться синхронно, а обороты цилиндра отставать (асинхронность). Отсюда и пошло наименование асинхронной машины. Запаздывание вращения ротора по отношению к магнитному полю, есть скольжение.
В данном примере источником циркуляции магнитного поля и ротора является приводимый во вращение постоянный магнит. Понятно, что это еще не есть электродвигатель, в котором циркулирующее магнитное поле должно создаваться электрическим током, и приводить во вращение ротор. Эту задачу удалось решить М. О. Доливо-Добровольскому, который для этого воспользовался трехфазным током. Сердечник кольцевого вида из железа (статор) имеет полюса, расположенные по кругу через 120о, на которые намотаны 3 обмотки сети 3-х фазного тока. В сердечнике расположен цилиндр из металла – прообраз ротора электромотора. Соединив обмотки в «звезду» или «треугольник», и подав на них 3-х фазный ток, общему магнитному полю, созданному полюсами, придается вращение. За один цикл изменения тока, протекающего в обмотках, магнитный поток также совершит поворот на 360о и инициирует вращение цилиндра, а это и есть асинхронная машина.Если вторую обмотку заменить третьей, то произойдет реверс магнитного поля. То же самое будет, если заменить ток второй фазы на третью. Это значит, реверс магнитного потока возможен, если переключить 2 любые фазы.
Таково устройство асинхронной машины, статор которой имеет 3 обмотки. В ней обороты 2-х полюсного магнитного поля совпадают с количеством циклов изменения тока за равное время.Если статор содержит по кругу 6 обмоток, то инициируется 4-х полюсное магнитное поле, если девять – 6-ти полюсное вращающееся поле. В случае частоты 3-х фазного тока 50 Герц, обороты поля будут при:
- 2-х полюсном статоре – 50 об/сек;
- 4-х полюсном – 25 об/сек;
- 6-ти полюсном – 17 об/сек.
Ротор машины будет немного отставать по отношению к магнитному потоку. В случае холостого хода изделия несовпадение составит 3%, под нагрузкой – 6%.
Преимущества и недостатки
В общей массе электромашин асинхронных с короткозамкнутым ротором – большинство. Это связано с простым устройством, обслуживанием и эксплуатацией при высокой надежности и низкой стоимости. Также обороты такого двигателя в условиях переменной нагрузки остаются почти постоянными.Рассматриваемым асинхронным машинам не нужны щетки и кольца контакта, т. к. ток идет прямо на стационарную 3-х фазную статорную обмотку, что очень удобно в применении и делают их почти универсальными. Если между нагрузкой на двигатель и скоростью нет связи, и не требуется регулировка оборотов, то двигатель можно включать в любую сеть напрямую. Только при его включении в однофазную сеть потребуется пусковой фазосдвигающий конденсатор.
У этих устройств есть и минусы:
- необходимость большого пускового тока;
- малая величина пускового момента;
- резкая реакция на изменяющие параметры сети;
- для управления скоростью не обойтись без преобразователя частоты;
- потребление реактивной мощности из сети.
Данные электромашины имеют своим пределом мощность системы электроснабжения конкретного предприятия, т. к. большие пусковые токи при малой мощности системы «садят» напряжение. Также они обладают низким мощностным коэффициентом, особенно когда нагрузка малая или включен холостой ход, что плохо для электрической системы в целом. На предприятиях это вызывает заметные потери, поэтому везде применяются системы для поддержания реактивной мощности, для чего коллинеарно обмоткам электродвигателя, подключают компенсирующие конденсаторы. Меньшим пусковым током и увеличенным пусковым моментом обладают асинхронные машины с фазным ротором с пусковыми реостатами в их цепи. Однако это усложняет конструкцию и увеличивает стоимость.
Сферы применения
Без асинхронных машин с короткозамкнутым ротором не может обойтись ни промышленность, ни транспорт, ни быт и др. Они используются практически везде. Это и электроприводы дымососов, подъемных кранов, шаровых мельниц, насосов, лебедок, дробилок, станков, бытовой техники. При необходимости ступенчатого изменения скорости (в тех же лифтах) пользуются многоскоростными асинхронными двигателями. Где требуется быстро остановиться и зафиксировать вал, когда исчезает напряжение, не обойтись без асинхронных двигателей с электромагнитным стопором (станки, лебедки). Асинхронные двигатели с большой величиной скольжения хорошо справляются с повторно-кратковременными режимами и при пульсации нагрузки.Широкое применение находится и линейным асинхронным двигателям из-за простого производства и хорошей надежности. Однофазными машинами оборудуются небольшие устройства (бытовые вентиляторы, мини-помпы и др.).
Наиболее эффективны 2-х фазные асинхронные машины, когда их питание идет от однофазной сети переменного тока. Другое их название – конденсаторные двигатели, поскольку без фазосдвигающего конденсатора они не могут работать.Трехфазные электромашины устанавливаются на станочное оборудование, тали, пилорамы, строительные краны и др. У 3-х фазных асинхронных машин с фазным ротором цена выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором, но их пусковые нагрузочные моменты намного больше. Поэтому эти двигатели составляют привода на лифтах и подъемных кранах, т. е. там, где требуется запуск в условиях нагрузки.
В настоящее время практически все электроприводы представляют собой нерегулируемые приводы с асинхронными двигателями. Они нашли широкое применение в теплоснабжении, водоснабжении, системах кондиционирования и вентиляции, компрессорных установках и других сферах. Благодаря плавному регулированию скорости вращения, в большинстве случаев можно отказаться от дросселей, вариаторов, редукторов и прочих регулирующих устройств, что существенно упрощает механическую систему, уменьшает расходы на ее эксплуатацию и повышает надежность.
Пуск двигателя, при подключении через частотный преобразователь , осуществляется плавно, без ударов и пусковых токов, благодаря чему уменьшается нагрузка на механизмы и двигатель, увеличивая срок их эксплуатации. Использование регулируемого электропривода дает возможность сэкономить до восьмидесяти процентов электроэнергии. Такая экономия достигается благодаря исключению непроизводительных затрат в регулирующих устройствах. В системах водоснабжения такое регулирование позволяет сэкономить не только электроэнергию, но и воду, а также уменьшить число аварий из-за повреждения трубопроводов.
Наиболее успешно частотные преобразователи используются в насосах дополнительной подкачки в системах тепло- и водоснабжения. Такие системы отличаются неравномерностью водопотребления в зависимости от времени года, дня недели и времени суток. При постоянном количестве подаваемой воды в период ее повышенного разбора напор значительно ослабевает, а при снижении расхода в магистрали происходит повышение давления, что не только ведет к потерям воды, но и увеличивает риск разрыва трубопровода. Использование частотного преобразователя позволяет регулировать подачу воды двумя способами – либо в соответствии с определенным графиком, либо с учетом реального расхода воды – это позволяет определить датчик давления или уровнемер . Регулируемое водоснабжение позволяет наполовину снизить расходы на электроэнергию, существенно снизить расход тепла и воды.
Точное регулирование скорости вращения необходимо в процессах производства полимерных нитей, бумаги, проволоки, стеклоткани. Использование частотного преобразователя в подобных процессах дает возможность получить продукцию высокого качества, повысить производительность, исключить обрывы, при этом материал при намотке будет иметь равное натяжение по всей толщине рулона. Если технологический процесс требует перемещения продукции с постоянной скоростью, используются несколько частотных преобразователей, плавный пуск и остановка, бесступенчатое изменение скорости.
Асинхронные машины
Лекция 5
В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.
Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах.
Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.
За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.
Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их
достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.
5.2. Устройство трёхфазной асинхронной машины
Неподвижная часть машины называется статор , подвижная – ротор . Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 5.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.
Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами . Начала фаз обозначаются буквами с 1 , с 2 , с 3 , концы – с 4 , с 5 , с 6 .
Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 5.2 а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рис. 5.2 б) или треугольник (рис. 5.2 в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660В по схеме звезда или в сеть с Uл =380В – по схеме треугольник.
Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.
Сердечник ротора (рис. 5.3 б) набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная . Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).
Рис. 5.3
Короткозамкнутая обмотка (рис. 5.3) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки” (рис. 5.3 а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.
Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.
На рис. 5.4 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.
У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. 5.5 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.
На рис. 5.6 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.
На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: Р н, U н, I н, n н, а также тип машины.
- Р н – это номинальная полезная мощность (на валу)
- U н и I н – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения. Например, 380/220, Y/∆, IнY/Iн∆.
- n н – номинальная частота вращения в об/мин.
Тип машины, например, задан в виде 4AH315S8. Это асинхронный двигатель (А) четвёртой серии защищённого исполнения. Если буква Н отсутствует, то двигатель закрытого исполнения.
- 315 – высота оси вращения в мм;
- S – установочные размеры (они задаются в справочнике);
- 8 – число полюсов машины.
