Механический асинхронный двигатель

Введение

Асинхронной машиной  является электромеханический преобразователь, в котором возникновение момента  на валу ротора возможно лишь при различных  скоростях вращения магнитного поля и ротора.

Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей единых серий мощностью от 0,6 до 400 кВт в нашей стране ежегодно выпускается около 10 млн. Асинхронных микродвигателей мощностью от 0,6 кВт изготовляется несколько десятков миллионов в год.

Электротехническая  промышленность выпускает асинхронные  двигатели в большом диапазоне  мощностей. Предельная мощность асинхронных  двигателей – несколько десятков мегаватт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели мощностью от долей ватта до сотен ватт. Частота вращения двигателей общего назначения – от 3000 до 500 об/мин.

В генераторном режиме асинхронные машины применяются  редко. Для создания поля в зазоре асинхронной машины необходима реактивная мощность, которая забирается из сети или от других источников реактивной мощности. Асинхронные двигатели не могут работать с cosц=1. Это существенный недостаток асинхронных машин, ограничивающий их применение в генераторном режиме.

При электромеханическом  преобразовании энергии в асинхронных  машинах, как и в других машинах, происходит преобразование энергии  а тепло. Электрические потери в  роторе асинхронной машины пропорциональны  скольжению. Чтобы большая часть электрической энергии преобразовывалась в механическую, асинхронные машины используются в электроприводах, где допустимо небольшое скольжение (s= = 1–4%). При глубоком скольжении (s=10–50%) асинхронные машины используются редко, так как в это случае большая часть мощности, забираемой из сети, преобразуется в тепло, что приводит к низкому КПД и увеличению габаритов асинхронной машины из-за трудностей, связанных с отводом тепла от активных частей машины.

Наличие в роторе потерь, пропорционально зависящих от скольжения, – одна из особенностей асинхронных машин, обусловливающих их отличие от других типов электрических машин.

Если обмотки  ротора представляют собой замкнутые  контуры, то при скольжении s=1 вся мощность, поступающая на ротор, преобразуется в тепло. При скольжении s=0 мощность на ротор не поступает. При скольжениях, отличных от 0 и 1, электромагнитная мощность преобразуется в двигательном режиме в механическую мощность и в тепло, а в генераторном режиме – в электрическую и в тепло.

В конструктивном исполнении асинхронные двигатели  – наиболее простые, они получили наибольшее распространение.

Механической характеристикой  двигателя называется зависимость  частоты вращения ротора от момента  на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 - n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная  механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения  и номинальным параметрам питающего  напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические  характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Пример расчета  механической характеристики асинхронного двигателя 

Трехфазный  асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosφн= 0,85, ηн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8.

Определить: номинальный  ток в фазе обмотки статора, число  пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.

Решение. Номинальная  мощность, потребляемая из сети

P1н =Pн / ηн = 14 / 0,88 = 16 кВт. 

Номинальный ток, потребляемый из сети

Число пар полюсов

p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3,

где n1 = 1000 – синхронная частота  вращения, ближайшая к номинальной  частоте nн= 960 об/мин.

Номинальное скольжение

sн = (n1 - nн) / n1 = (1000 - 960 ) / 1000 = 0,04

Номинальный момент на валу двигателя 

Критический момент

Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н•м.

Критическое скольжение находим  подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.

Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 - s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н•м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н•м.

Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим 

По полученным данным строят механическую характеристикудвигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

     Асинхронный  двигатель трехфазного тока представляет  собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

     Двигатель имеет две основные части: неподвижную  – статор и вращающуюся – ротор. Статор состоит из корпуса, представляющего  собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна и алюминия. С помощью лап двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя к производственному механизму.

     В корпус  вмонтирован сердечник статора,  представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки, находящейся вне пазов, называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора действует переменный магнитный поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 – 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

     Обмотка статора  выполняется в основном из  изолированного медного провода   круглого или прямоугольного  сечения, реже – из алюминиевого  провода. В  качестве изоляции  проводов друг от друга используют бумагу и хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюда, стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон, слюда, асбест, стекловолокно.

     Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы – X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В. Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.

     На  корпусе  двигателя имеется доска  с  зажимами, с помощью которых   обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток – соответственно С4, С5 и С6.

     Сердечник ротора представляет собой цилиндр, собранный из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы с обмоткой ротора.

     Обмотки ротора  бывают двух видов – короткозамкнутые  и фазные. Соответственно этому  различают  асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней, расположенных в пазах, и замыкающих колец. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляются из меди, в других из – алюминия, в третьих из бронзы и т.д. Алюминиевую обмотку получают путем заливки в пазы жидкого алюминия.

     Фазную  обмотку ротора выполняют так   же, как и обмотку статора. Она  всегда соединяется звездой. Начала фаз обмоток присоединяют к контактным кольцам, которые изготавливают из стали или латуни и располагают на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки, расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор, который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).

     Вал  ротора изготовлен из стали  и вращается  в шариковых  или роликовых  подшипниках.  Подшипники укреплены  в подшипниковых  щитах, которые  изготовлены  из чугуна или стали  и прикрепляются к корпусу  болтами.

     Тепловая  энергия, возникающая в двигателе   в результате потерь электрической   энергии в его обмотках и  магнитопроводе, нагревает двигатель.  Для увеличения теплоотдачи ротор  снабжен крыльчаткой, прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя

       В обмотке статора, включенной  в сеть трехфазного тока, под  действием  напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

     В  результате взаимодействия тока  ротора с вращающимся магнитным  полем  возникает сила, действующая  на проводники ротора, направление  которой определяется по правилу  левой руки. Сила создает  момент, действующий в сторону.

     Под  действием момента ротор приводит  в движение и после разбега  вращается в том же направлении,  что и магнитное поле, с несколько  меньшей частотой вращения, чем  поле.

     Все  сказанное о принципе действия  асинхронного двигателя справедливо, если обмотка  ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера – взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Механическая  характеристика асинхронного двигателя

       Механической  характеристикой   называется зависимость частоты  вращения ротора двигателя или скольжения от момента, развиваемого двигателем при установившемся режиме работы: n = f(M)  или s = f(M).

     Механическая  характеристика является одной  из важнейших  характеристик  двигателя. При выборе двигателя  к производственному  механизму из множества двигателей с различными механическими характеристиками выбирают тот, механическая характеристика которого удовлетворяет требованиям механизма.

Применение

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических  машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

 Асинхронный  двигатели широко применяются  в приводах металлообрабатывающих,  деревообрабатывающих и других  видов станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

 Потребности  народного хозяйства удовлетворяются  главным образом двигателями  основного исполнения единых  серий общего назначения, т.е.  применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований  к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий окружающей среды, предназначенные для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного исполнения серий с максимально возможным использованием узлов и деталей этого исполнения.

 В некоторых  приводах возникают требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы специализированные двигатели, например электробуровые, краново- металлургические и др.

 Основные  направления совершенствования  асинхронных электродвигателей  общего назначения.

Низковольтные асинхронные электродвигатели общего назначения мощностью

0,25...400 кВт, именуемые  во всем мире стандартные асинхронные  двигатели, составляют основу  силового электропривода, применяемого  во всех областях человеческой  деятельности. Их совершенствованию  в промышленно развитых странах придают большое значение. В настоящее время рынок, призванный отражать интересы потребителей, не формулирует сколько-нибудь определенных требований к стандартным асинхронным двигателям, кроме ценовых. В связи с этим для выявления тенденций их совершенствования необходимо исходить из требований внешнего рынка и из достижений основных производителей стандартных асинхронных двигателей.

Ведущие фирмы-производители  выпускают энергосберегающие стандартные  асинхронные двигатели мощностью 15-30 кВт и более. В этих двигателях потери электроэнергии снижены не менее чем на 10 % по сравнению с ранее производимыми двигателями с "нормальным" КПД (h). При этом КПД энергосберегающего двигателя можно определить как

hэ = h / [1 - е  (1 - h)],          (1)

где е - относительное  снижение суммарных потерь в двигателе.

Очевидно, производство энергосберегающих электродвигателей  связано с дополнительными затратами, которые можно оценить с помощью  коэффициента удорожания

Ку = 1 + (1 - h) е2.100.          (2)

Результаты  расчетов показывают, что дополнительные затраты, связанные с приобретением  энергосберегающих электродвигателей, окупаются за счет экономии электроэнергии за 2-3 года в зависимости от мощности двигателя.

 При этом  срок окупаемости более мощных двигателей меньше, так как эти двигатели имеют большую годовую наработку и более высокий коэффициент загрузки.

В ряде стран  вопросы энергосбережения в стандартных  асинхронных двигателях связывают  не столько со снижением эксплуатационных затрат, сколько с экологическими проблемами, обусловленными производством электроэнергии. В

 Российской  Федерации Владимирский электромоторный  завод начиная с 1998 г. выпускает  энергосберегающие двигатели 5А280 и с 1999 г. 5А315 мощностью от

110 до 200 кВт,  с 200 г.энергосберегающие двигатели 5А355 мощностью 315 кВт, а с 2003 готовиться к выпуску асинхронных двигателей серии 6А.

Крупные асинхронные  электродвигатели взрывозащищенного  исполнения.

Номенклатура  крупных асинхронных взрывозащищенных электродвигателей постоянно обновляется и расширяется, новые серии двигателей отличают более высокие технические характеристики и целый ряд конструктивных решений, направленных на повышение надежности и удобства эксплуатации.

 Взамен двигателей  ВАО2-450, ВАО2-560 и ВАО2-630 в настоящее время освоено промышленное производство новых серий –ВАО3-710,ВАО3-800, ВАО4-450, ВАО4-

560 и ВАО4-630. Отрезки серии ВАО4-450 и ВАО4-560 дополнены исполнениями двигателей  с частотой вращения 3000 об/мин.

 Электродвигатели  серии ВАО4 полностью взаимозаменяемы по установочно- присоединительным размерам с двигателями серии ВАО2. В конструкции электродвигателей серии ВАО4 применены как зарекомендовавшие себя традиционные, так и новые конструктивные решения, дающие ряд преимуществ относительно других производителей аналогичной продукции:

• литая алюминиевая короткозамкнутая обмотка ротора, позволяющая обеспечить оптимальные форму и размеры паза и, как следствие, увеличенный пусковой момент электродвигателей при относительно небольших величинах кратности пусковых токов;
• технология вакуум-нагнетательной пропитки (HPI) обмоток эпоксидным компаундом, являющимся основой изоляции "Монолит-2", высокая надежность которой признана во всем мире;
• изоляционные материалы класса нагревостойкости F, включая изоленты новейших разработок типа "Элмикапор" производства АО ХК "ЭЛИНАР"

(Россия), а также  ведущих мировых производителей: Von Roll Isola

(Швейцария) и Isovolta (Австрия);

• подшипники повышенной надежности производства фирмы SKF (Швеция) в стандартном варианте для двигателей с частотой вращения ротора 3000 об/мин и для любых других типоразмеров серии по заказу потребителя;
• динамическая балансировка ротора и наружного вентилятора, обеспечивающая пониженные значения уровней вибрации, шума и увеличение срока эксплуатации;
• оребренная конструкция корпуса статора повышенной механической жесткости, с обработкой мест посадки пакета статора и подшипниковых щитов с одной установки на специальных расточных станках;
• новая конструкция системы вентиляции. Внутренний вентилятор новой конструкции установлен за зоной расположения лобовых частей обмотки, что значительно повышает надежность;
• конструкция коробки выводов с использованием цельной изоляционной панели;
• устройства контроля температуры подшипников нового типа с возможностью дистанционной передачи сигналов аварийного предупреждения и управления отключением электродвигателя в аварийных режимах;
• пазовые клинья из специального магнитного материала, а также лакировка листов пакета статора, обеспечивающие снижение потерь и увеличение энергетических параметров.

Режим работы двигателя  продолжительный S1 от сети переменного  частотой

50Гц.