Трехфазный асинхронный двигатель

министерство  образования и науки российской федерации

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

тюменский государственный университет 
 
 
 
 

Курсовая  работа

На тему: «АСИНХРОННЫЕ ТРЕХФАЗНЫЕ ДВИГАТЕЛИ». 
 
 
 
 

Выполнил:

                                                                                                                                Студент 2 курса

                                                                                                                         493 группы

                                                                                                                              Кузнецов А.В.

Проверила:

  доцент, к.ф.-м.н..

Здыренкова  Т. В. 
 

Тюмень-2011

Содержание

Техническое задание…………………………………………………..3

Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, условное обозначение в схемах……………………………6

Условия возникновения  вращающегося магнитного поля……....….7

 Условия пуска  двигателя……………………………………………10

Основные параметры  асинхронного двигателя…………………….11

Области применения асинхронного двигателя……………………..17

Расчетная часть……………………………………………………….18 

Техническое задание

1. В литературном обзоре изложить:

• конструкцию асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, условное обозначение в схемах;
• описать условия возникновения вращающегося магнитного поля;
• условия пуска двигателя;
• параметры: скольжение, условия работы в режиме двигателя, регулировка частоты, кратность пуска, перегрузочная способность;
• механические характеристики;
• области применения асинхронного двигателя.

В расчетной части  определить:

• потребляемую мощность;  
• номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты;
• пусковой ток; 
• номинальное и критическое скольжения;

Построить:

•   механические характеристики М= f(s) и n = f(М) для  асинхронного двигателя марки:

                                                                          Таблица1

                                            Таблица 2

Трехфазные  асинхронные двигатели  с короткозамкнутым ротором

единой  серии А2 в защищенном исполнении

Примечание. Номинальное напряжение двигателей 220/380 В  частотой 50 Гц, их номинальные  нагрузочные режимы SI с ПВ = 100 %.

В данной работе у меня 7 вариант, двигатель  марки А2-62-4

Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, условное обозначение в схемах.

Магнитная система (магнитопровод) асинхронного двигателя состоит из двух частей: наружной неподвижной, имеющей форму полого цилиндра  и внутренней - вращающегося цилиндра. Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака. Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся - ротором (от латинского stare - стоять и rotate - вращаться).

В пазах  с внутренней стороны статора  уложена трехфазная обмотка, токи которой  возбуждают вращающееся магнитное  поле машины. В пазах ротора размещена  вторая обмотка, токи в которой индуцируются вращающимся магнитным полем. Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу. Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов:

• короткозамкнутые;
• с контактными кольцами.

 Рисунок  1.  Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а); обмотка ротора (б)

1 -статор; 2 -ротор; 3 -вал; 4 -витки обмотки статора;  5 - обмотка ротора

Первые  из них проще по устройству и чаще применяются.  Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рисунок 1.б), Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода. Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец. На рис. 2 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.

Рис.2

Условия возникновения вращающегося магнитного поля.

1. наличие не менее двух обмоток;
2. токи в обмотках должны отличаться по фазе
3. оси обмоток должны быть смещены в пространстве.

В трёхфазной машине при одной паре полюсов (р=1) оси обмоток должны быть смещены  в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (р=2) оси обмоток  должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д.

Рассмотрим  магнитное поле, которое создаётся  с помощью трёхфазной обмотки, имеющей  одну пару полюсов (р=1) (рис. 2.7). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (B_A, B_B, B_C) смещены в пространстве тоже на угол 120°.

Магнитные индукции полей, создаваемые  каждой фазой, как и напряжения, подведённые  к этим фазам, являются синусоидальными  и отличаются по фазе на угол 120°.

Приняв  начальную фазу индукции в фазе А (φ_A) равной нулю, можно записать:

Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций.

.

Найдём  результирующую магнитную индукцию (рис. 2.8) с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени.

 
Рис. 2.8

Как следует  из рис. 2.8, магнитная индукция B результирующего  магнитного поля машины вращается, оставаясь  неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт  в машине круговое вращающееся магнитное  поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования  фаз. Величина результирующей магнитной  индукции

.

Частота вращения магнитного поля n₀ зависит от частоты сети f и числа пар полюсов магнитного поля р.

n₀ = (60 f) / p, [об/мин].

Обратите  внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной  машины и её нагрузки.

При анализе  работы асинхронной машины часто  используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω₀, которая определяется соотношением:

ω₀ = (2 π f) / p = π n₀ / 30, [рад/сек].

Условия пуска двигателя.

Основными характеристиками пуска являются величина пускового момента и величина пускового тока.

Ротор двигателя придет во вращение и достигнет  номинальной частоты вращения, если развиваемый двигателем пусковой момент будет больше момента сопротивления на валу, создаваемого приводимым механизмом. При пуске ряда механизмов (шаровых мельниц, компрессоров и т. д.) требуется значительный пусковой момент, равный номинальному или превышающий его. Пусковой ток необходимо ограничить значением, не опасным для нормального режима работы сети, механической и термической прочности основных элементов двигателя. Схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств минимальными.

Прямой  пуск

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором  проще по устройству и обслуживанию, дешевле и надежнее в работе, чем  двигатели с фазным ротором. Поэтому  большинство находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями  с короткозамкнутым ротором.

Наиболее  простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой способ пуска называют прямым пуском.

Пpи разгоне ротора величина ЭДС ( ) уменьшается, что приводит к уменьшению тока ротора   и прежде всего его реактивной составляющей.

Таким образом, недостатком данного способа  пуска является сравнительно небольшой  пусковой момент при значительном броске пускового тока. При электрических  сетях сравнительно небольшой мощности такой бросок тока может вызвать значительное понижение напряжения, нежелательное для других потребителей.

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируют с таким  расчетом, чтобы они по значению возникающих электродинамических  усилий, действующих на обмотки, и  по условиям нагрева обмоток допускали  прямой пуск.

Величину  пусковых токов можно уменьшить  за счет изменения конструкции роторных обмоток, включения в сеть ротора добавочных сопротивлений, снижения напряжения питающей сети. Первые два способа, уменьшая пусковые токи, сохраняют  достаточно высокие значения пусковых моментов. Применение третьего способа  неизбежно приводит к уменьшению пускового и критического моментов, зависящих от второй степени питающего  напряжения.

Основные  параметры асинхронного двигателя.

Скорость  вращения вращающегося магнитного поля определяется либо угловой частотой , либо числом оборотов в минуту. Эти две величины связаны формулой:

Характерной величиной является относительная  скорость вращающегося магнитного поля, называемая скольжением :

             или ,                 

         где  - угловая частота ротора, рад/с;

        - число оборотов в минуту, об/мин.

Чем ближе  угловая скорость ротора к скорости вращающегося магнитного поля , тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе, а, следовательно, и токи в роторе. Убывание токов уменьшает вращающий момент , воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее  вращающегося магнитного поля - асинхронно. 

     При увеличении механической нагрузки асинхронного двигателя тормозящий момент на валу становится больше вращающегося и скольжение возрастает. Увеличение скольжения вызывает возрастание ЭДС и токов в обмотке ротора, благодаря чему увеличивается вращающий момент и восстанавливается динамическое равновесие вращающего и тормозящего моментов;

           .                                                              

          Таким образом,  увеличение нагрузки асинхронного двигателя вызывает увеличение его скольжения.  У современных асинхронных двигателей скольжение даже при полной нагрузке невелико - около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015-0,02 (полтора-два процента) у крупных двигателей.

          Характерная кривая зависимости  от скольжения показана на рисунке 3,а. Максимум вращающегося момента разделяет кривую  на устойчивую часть от до и неустойчивую часть от до , в пределах которой вращающий момент уменьшается с ростом скольжения. На участке от до при уменьшении тормозящего момента на валу асинхронного двигателя увеличивается скорость вращения, скольжение уменьшается, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

          На участке от  до с уменьшением скорость вращения увеличивается, скольжение уменьшается и вращающий момент увеличивается, что приводит к еще большему возрастанию скорости вращения, так что работа двигателя неустойчива.

  Таким образом, пока тормозящий  момент 

динамическое  равновесие моментов автоматически  восстанавливается. Когда же , при дальнейшем увеличении нагрузки возрастание скольжения приводит к уменьшению вращающегося момента . Двигатель останавливается, вследствие преобладания тормозящего момента над  вращающим моментом.

     Для практики большое значение имеет  зависимость частоты вращения  двигателя от нагрузки на валу . Эта зависимость носит название механической характеристики (рисунок 3,б).

     Как показывает кривая рисунка 3,б, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении вращающего момента в пределах от нуля до максимального значения . Такую зависимость называют жесткой. При перегрузке свыше максимального момента двигатель входит в область неустойчивого режима и останавливается.  Пусковые свойства двигателя определяются соотношением начального пускового момента и номинального момента В соответствии с данными каталога, это отношение составляет 1,6-1,7.

Рисунок 3.. а) Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя от скольжения ; б) механическая характеристика

При пуске  асинхронного двигателя коэффициент  мощности очень мал и пусковой ток может возрастать в 5-7 раз по сравнению с номинальным. Ограничения его осуществляются изменением частоты питающего напряжения для двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличением активного сопротивления в цепи ротора для двигателя с фазовым ротором.

         Частота вращения двигателя  зависит не только от нагрузки, но и от напряжения в сети. С уменьшением напряжения уменьшается магнитный поток , что приводит к уменьшению вращающего момента двигателя:

          где  - магнитный поток, пронизывающий обмотки ротора;

                 - ток в обмотках ротора;

                  - угол между направлением тока и магнитного потока .

Но одновременно уменьшается и ток ротора  . То есть зависимость от напряжения через две величины и , поэтому утверждают, что вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения . Этой зависимостью можно объяснить явление, что при снижении напряжения в сети двигатель не запускается под нагрузкой. Зависимость механического момента от напряжения  позволяет осуществлять регулировку частоты вращения двигателя  путем изменения напряжения на его зажимах:

          где  - мощность на валу;

          - угловая частота вращения.

Для регулировки  частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором  в настоящее время широко применяются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением. Кратность пускового момента

Кратность пускового тока

Перегрузочная способность двигателя

 Перегрузочная способность выражает свойства двигателя выдерживать кратковременные перегрузки по моменту нагрузки. Для большинства асинхронных двигателей равна 1,7-2,2. Специальные, например крановые, двигатели имеют перегрузочную способность до 3.

В асинхронных двигателях имеют место потери:

• механические ;
• электрические ;
• магнитные .

Коэффициент полезного  действия двигателя             

  где   - подводимая из сети мощность.

  Достоинства двигателя:

 регулировка  частоты вращения двигателя путем  изменения напряжения на его  зажимах.

 Недостатки двигателя:

• чувствительность к колебаниям напряжения;
• малый пусковой момент (1.2-1.6) _.
• большой пусковой ток;
• регулирование скорости вращения ротора затруднено.

Области применения асинхронного двигателя.

     Благодаря простоте устройства, высокой надежности в эксплуатации  и меньшей стоимости по сравнению  с другими двигателями асинхронные  двигатели трехфазного тока нашли  широкое применение в промышленности  и сельском хозяйстве в качестве  электропривода различных механизмов. С их помощью приводят в  движение металлорежущие и деревообрабатывающие  станки, подъемные краны, лебедки,  лифты, эскалаторы, насосы вентиляторы  и д.р 
 
 

Расчетная часть

Вариант № 7

  Тип двигателя - А2-62-4

Задача. Номинальная мощность трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Р_н = 17 кВт, номинальное напряжение U_н = 380В, номинальное число оборотов ротора n_н = 1450 об/мин, номинальный к.п.д. h_н = 0,895 и номинальный коэффициент мощности Cos j_н = 0,88. Кратность пускового тока I_п / I_н = 7,  перегрузочная способность двигателя l = 2.

Определить: 1) потребляемую мощность;   2) номинальный и  максимальный (критический) вращающие моменты;   3) пусковой ток;  4) номинальное и критическое скольжения;   5) построить механические характеристики М= f(s) и n = f(М).

РЕШЕНИЕ:

Потребляемая  мощность :

            Р = Р_н / h_н =17/ 0,895 = 19 кВт 

Номинальный и  максимальный моменты:

            М_н = 9550 (Р_н / n_н) = 9550 (17 / 1450) = 112 Н*м

            М_max = l *М_н = 2 _* 112 = 224 Н*м 

Номинальный и  пусковой ток:

            I_н = Р / ( U_н Cos j_н )= 19 _* 1000 / 1,73 _* 380 _* 0,88 = 32,8 А

     I_п = 7_* I_н = 7 _* 32,8 = 230 А

Номинальное и  критическое скольжение:

            =60*f / p = 60*50/2 = 1500 об/мин

     S_н = (n₀-n_н)/ n₀ = (1500 – 1450) / 1500 = 0.033;

     S_к = S_н (l + ) = 0,033 (2 + ) = 0,123.

Механические  характеристики М = F(s) и n = f(М) строятся по уравнению :

     М = 2 М_max / (S_к / S + S / S_к)

            М = 448 / (0,123 / S + S /  0,123)                  

Задаваясь скольжением  s от 0 до 1, подсчитываем вращающий момент. Скорость вращения ротора определяем из уравнения:

                                           n = n₀ (1 - S)

Расчётные данные приведены в таблице 1. Характеристики,  построенные по данным таблицы 1, изображены на рис. 1 а, б. 

Таблица 1. 

Рис 1 а)

б)