Асинхронные исполнительные двигатели

Асинхронные исполнительные двигатели используют в системах автоматического управления для управления и регулирования различных устройств.

Асинхронные исполнительные двигатели начинают действовать при подаче им электрического сигнала, который они преобразуют в заданный угол поворота вала или в его вращение. Снятие сигнала приводит к немедленному переходу ротора исполнительного двигателя в неподвижное состояние без использования каких-либо тормозных устройств. Работа таких двигателей протекает все время в условиях переходных режимов, в результате чего скорость ротора зачастую при кратковременном сигнале не достигает установившегося значения. Этому способствуют также частые пуски, изменения направления вращения и остановки.

По конструктивному оформлению исполнительные двигатели представляют собой асинхронные машины с двухфазной обмоткой статора, выполненной так, что магнитные оси ее двух фаз сдвинуты в пространстве относительно друг друга не угол 90 эл. град.

Одна из фаз обмотки статора является обмоткой возбуждении и имеет выводы к зажимам с обозначение ми C1 и С2. Другая, выполняющая роль обмотки управления, имеет выводы, присоединенные к зажимам с обозначениями У1 и У2.

К обеим фазам обмотки статора подводят соответствующие переменные напряжения одинаковой частоты. Так, цепь обмотки возбуждения присоединяют к питающей сети с неизменным напряжением U, а в цепь обмотки управления подают сигнал в виде напряжения управления U у (рис. 1, а, б, в).

В результате этого в обеих фазах обмотки статора возникают соответствующие токи, которые благодаря включенным фазосдвигающим элементам в виде конденсаторов или фазорегулятора сдвинуты относительно друг друга во времени, что приводит к возбуждению эллиптического вращающего магнитного поля, которое вовлекает короткозамкнутый ротор во вращение.

При изменении режимов работы двигателя эллиптическое вращающееся магнитное поле в предельных случаях переходит в переменное с неподвижной осью симметрии или в круговое вращающееся, что сказывается на свойствах двигателя.

Пуск, регулирование скорости и остановка исполнительных двигателей определяются условиями формирования магнитного поля путем амплитудного, фазового и амплитудно-фазового управления.

При амплитудном управлении напряжение U на зажимах обмотки возбуждения поддерживают неизменным, а изменяют только амплитуду напряжения Uy. Сдвиг фаз между этими напряжениями, благодари исключенному конденсатору, равен 90° (рис. 1, а).

Фазовое управление харакрно тем, что напряжения U и Uy остаются неизменными, а сдвиг фаз между ними регулируют поворотом ротора фазорегулятора (рис. 1, б).

При амплитудно-фазовом управлении, хотя регулируют только амплитуду напряжения Uy, но при этом, из-за наличия конденсатора в цепи возбуждения и электромагнитного взаимодействия фаз обмотки статора, происходит одновременное изменение фазы напряжения на зажимах обмотки возбуждения и сдвига фаз между этим напряжением и напряжением на зажимах обмотки управления (рис. 1, в).

Иногда кроме конденсатора в цепи обмотки возбуждения предусматривают еще конденсатор в цепи обмотки управления, что компенсирует реактивную намагничивающую мощность, снижает потери энергии и улучшает, механические характеристики асинхронного исполнительного двигателя.

При амплитудном управлении круговое вращающееся магнитное поле наблюдается при номинальном сигнале независимо от скорости ротора, а при уменьшении его оно становится эллиптическим. В случае фазового управления круговое вращающееся магнитное поле возбуждается только при номинальном сигнале и сдвиге фаз между напряжениями U и Uy равным 90° независимо от скорости ротора, а при ином сдвиге фаз оно становится эллиптическим. При амплитудно-фазовом управлении круговое вращающееся магнитное поле существует только при одном режиме — при номинальном сигнале в момент пуска двигателя, а затем по мере разгона ротора оно переходит в эллиптическое.

При всех способах управления скорость ротора регулируют изменением характера вращающегося магнитного поля, а перемену направления вращения ротора осуществляют изменением фазы напряжения, подведенного к зажимам обмотки управления, на 180°.

К асинхронным исполнительным исполнительным двигателям предъявляют специфические требования в части отсутствия самохода, обеспечения широкого диапазона регулирования скорости ротора, быстродействия, большого начального пускового момента и малой мощности управления при относительном сохранении линейности их характеристик.

Самоход асинхронных исполнительных двигателей проявляется в виде самопроизвольного вращения ротора при отсутствии сигнала управления. Он обусловлен либо недостаточно большим активным сопротивлением обмотки ротора — методический самоход, либо некачественным исполнением самого двигателя — технологический самоход.

Асинхронные исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором, отличающиеся высоким быстродействием, имеют как внешний статор с магнитопроводом обычной конструкции и двухфазной обмоткой с фазами, выполняющими роль обмоток возбуждения и управления, так и внутренний статор в виде шихтованного ферромагнитного полого цилиндра, укрепленного на подшипниковом щите двигателя.

Механические характеристики двигателей с полым ферромагнитным ротором ближе к линейным, чем характеристики двигателей с ротором, имеющим обычную короткозамкнутую обмотку, а также с ротором, выполненным в виде полого немагнитного цилиндра.

Существенными недостатками двигателей с полым ферромагнитным ротором является одностороннее прилипание ротора к магнитопроводу статора из-за неравномерности воздушного зазора, чего не бывает в машинах с полым немагнитным ротором. Самоход у двигателей с полым ферромагнитным ротором отсутствует, они устойчиво работают в диапазоне скоростей от нулевой до синхронной скорости ротора.

Асинхронные исполнительные двигатели с массивным ферромагнитным ротором выполненным в виде стального или чугуного цилиндра без обмотки, отличаю простотой конструкции, высокой прочностью, большим пусковым моментом, устойчивостью работы на заданной скорости и могут быть использованы при очень высоких скоростях ротора.

Существуют обращенные двигатели с массивным ферромагнитным ротором, который выполнен в вид наружной вращающейся части.

Асинхронные исполнительные двигатели изготавливают на номинальную мощность от долей до нескольких сотен ватт и предназначают для питания от источников переменного напряжения с частотой 50 Гц, а также повышенных частот до 1000 Гц и выше.
Читайте также: Сельсины: назначение, устройство, принцип действия

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя

Асинхронные моменты.Магнитные поля от высших про­странственных гармоник, сцепляясь с обмоткой ротора, наводят в ней ЭДС и создают в двигателе собственные электромагнитные асинхронные моменты. Эти моменты ухудшают свойства двигате­ля, поэтому их принято называть паразитными. При рассмот­рении выражения электромагнитного момента и механической характеристики асинхронного двигателя (см. § 13.2) имелось в ви­ду действие лишь магнитного поля основной гармоники. Если же учесть влияние высших пространственных гармоник поля, то кри­вая электромагнитного момента (см. рис. 13.3) окажется искажен­ной. В зависимости от направления и частоты вращения n_υ маг­нитного поля высшей пространственной гармоники и направления создаваемого ею электромагнитного момента M_υ высшие про­странственные гармоники поля могут создать в асинхронном дви­гателе три режима: двигательный режим, если поле выс­шей гармоники прямовращающееся и частота его вращения n_υ > n₂,а направление момента M_υ положительное, т. е. он направлен со­гласно с моментом основной гармоники М; генераторный режим, если поле высшей гармоники прямовращающееся и час­тота его вращения n_υ

Наибольшую опасность представляют собой паразитные асинхронные моменты при короткозамкнутой обмотке ротора, так как в этом случае токам, наведенным высшими гармониками маг­нитного поля в стержнях ротора, оказывается небольшое электри­ческое сопротивление. В двигателях с фазным ротором действие паразитных асинхронных моментов намного слабее.

Заметное влияние на форму кривой электромагнитного момента оказывают асинхронные паразитные моменты от гармоник поля зубцового порядка (обусловленных наличием зубцов на статоре и роторе):

Рис. 13.10. Асинхронные моменты от основной

и выс­ших (5-й и 7-й) гармоник поля

Рис. 13.11. Влияние взаимного расположения

в простран­стве полюсов высших пространственных

гармоник поля статора и ротора на направление

а— синхронный момент положительный,

б— синхронный мо­мент отрицательный

Эффективное средство ослабления влияния высших гармоник на свойства двигателей — скос пазов ротора в пределах зубцового деления.В этом случае ЭДС в стержнях ротора от зубцовых гармоник поля статора снижаются почти до нуля. Действие высших гармоник поля ослабляют также правильным выбором числа пазов статора Z₁ и ротора Z₂.Рекомендуется соотношение Z₂ ≤ l,25 (Z₁ ± p ).

Синхронные моменты.Между вращающимися магнитными полями высших пространственных гармоник статора и ротора, имеющими одинаковый порядок, возникают силы магнитного взаимодействия. Результатом этого взаимодействия является воз­никновение синхронного момента М_cυ. В общем случае поля ста­тора и ротора от высших пространственных гармоник вращаются с разными частотами (n_υ1 ≠ n_υ2), а поэтому направление синхронно­го момента M_cυменяется в зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов взаимодействующих полей. Обычно частота изменения знака момента M_cυ велика, и из-за большой инерции ротора этот момент не оказывает заметного влияния на вращение ротора. Но при некоторой частоте вращения ротора поля высших гармоник статора и ротора начинают вращаться с одинаковой час­тотой вращения (n_υ1 = n_υ2). В этом случае направление синхронного момента M_cυ становится стабильным. В зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов магнитных полей момент M_cυ мо­жет быть положительным или отрицательным (рис. 13.11).

Синхронные моменты в асинхронном двигателе нежелатель­ны, т. е. являются паразитными, так как они могут вызвать прова­лы в механической характеристике двигателя. Наибольшего зна­чения синхронные моменты достигают при наличии зубцовых гармоник поля статора и ротора одинакового порядка, т. е. при υ_z1 = υ_z2. Синхронные моменты наиболее опасны при следующих соотношениях пазов статора и ротора (Z₁и Z₂):

Особенно нежелательно равенство числа пазов на статоре и роторе (Z₁ = Z₂),так как это может привести к «прилипанию» ро­тора к статору: зубцы ротора силами магнитного тяжения удержи­ваются под зубцами статора. Уменьшению синхронных моментов способствует скос пазов на роторе.

Контрольные вопросы

1.Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе?

2.Почему магнитные потери в сердечнике ротора не учитывают?

3.На какие виды потерь влияют величина воздушного зазора и толщина пла­стин сердечника статора?

5.Почему график I₁ = f(P₂)не выходит из начала координат?

6.Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его cos φ₁, имеет низ­кие значения?

7.При каких условиях высшие пространственные гармоники поля создают и асинхронном двигателе двигательный, генераторный и тормозной режимы?

8. Какими причинами может быть вызван «провал» в механической характери­стике?

9.При каких условиях может происходить «прилипание» ротора к статору?

10. Какими мерами можно ослабить паразитные моменты в двигателе?

ГЛАВА 14

• Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей

Основные понятия

Существует два метода получения данных для построения рабочих характеристик асинхронных двигателей: метод непосредственной нагрузки и косвенный метод. Метод непосредственной нагруз­ки заключается в опытном исследовании двигателя в диапазоне нагрузок от холостого хода до режима номинальной нагрузки с измерением необходимых параметров. Этот метод обычно применяется для двигателей мощностью не более 10—15 кВт. С рос­том мощности двигателя усложняется задача его на­грузки, растут непроизводительный расход электро­энергии и загрузка электросети (исключение составляют установки, содержащие не­сколько электрических машин, включенных по схеме с частич­ным возвратом электроэнергии в сеть).

Применение этого метода ограничивается еще и тем, что не всегда представляется возможным создать испытательную установку по причине отсутствия требуемого обору­дования и недопустимости перегрузки электросети. Широкое применение получил более универсальный косвенный метод, применение которого не ограни­чивается мощностью двигателя. Этот метод заклю­чается в выполнении двух экспериментов: опыта холостого хода и опыта короткого замыкания.

Опыты х.х. и к.з. асинхронных двигателей в ос­новном аналогичны таким же опытам трансформа­торов (см. § 1.11). Но они имеют и некоторые осо­бенности, обусловленные главным образом нали­чием у двигателя вращающейся части — ротора. Кроме того, при переходе из режима х.х. в режим к.з. параметры обмоток двигателя (активные и ин­дуктивные сопротивления) не остаются неизменны­ми, что объясняется зубчатой поверхностью статора и ротора. Все это создает некоторые затруднения в проведении опытов и в последующей обработке их результатов.

Опыт холостого хода

Питание асинхронного двигателя при опыте х.х. осуществля­ется через индукционный регулятор напряжения ИР (рис. 14.1) или регулировочный автотрансформатор, позволяющие изменять напряжение в широких пределах. При этом вал двигателя должен быть свободным от механической нагрузки.

Опыт начинают с повышенного на­пряжения питания U₁ = 1,15 U_ном, затем постепенно понижают напряжение до 0,4 U_ном так, чтобы снять показания при­боров в 5—7 точках. При этом один из замеров должен соответствовать номи­нальному напряжению U_1ном. Измеряют линейные значения напряжений и токов и вычисляют их средние значения:

а затем в зависимости от схемы соедине­ния обмотки статора определяют фазные значения напряжения и тока х.х.: при соединении в звезду

U₁ = U_ср/ ; I₀ = I_ср (14.3)

при соединении в треугольник

U₁ = U_cp; U₀ = I_0cp/ . (14.4)

Рис. 14,1. Схема включе­ния трехфазного асин­хронного

двигателя при опытах х.х. и к.з.

Ваттметр W измеряет активную мощ­ность Р₀, потребляемую двигателем в режиме х.х., которая включает в себя электрические потери в обмотке статора m₁ I 2 ₀ r₁, магнитные по­тери в сердечнике статора Р_ми механические потери Р_мех (Вт):

Сумма магнитных и механических потерь двигателя (Вт)

Коэффициент мощности для режима х.х.

По результатам измерений и вычислений строят характери­стики х.х. I₀, P₀, P / ₀и соs φ₀ = f(U₁), на которых отмечают значе­ния величин I_0ном, Р_0ном, Р / _0ном и соs φ₀ соответствующих номи­нальному напряжению U_1ном(рис. 14.2).

Если график Р / ₀ =f(U₁) продолжить до пересечения с осью ординат (U₁ = 0), то получим величину потерь Р_мех.

Определив величину механических потерь Р_мех, можно вычис­лить магнитные потери (Вт):

Для асинхронных двигателей с фазным ротором в опыте холо­стого хода определяют

Рис. 14.2. Характеристики х.х. трехфазного асинхронного

двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

коэффициент трансформации напряжений между обмотками статора и ротора. Этот коэффициент с доста­точной точностью может быть определен по отношению средних арифметических линейных (междуфазовых) напряжений статора к аналогичным напряжениям ротора.

Опыт короткого замыкания

Схема соединений асинхронного двигателя при опыте к.з. ос­тается, как и в опыте х.х. (см. рис. 14.1). Но при этом измеритель­ные приборы должны быть выбраны в соответствии с пределами измерения тока, напряжения и мощности. Ротор двигателя следует жестко закрепить, предварительно установив его в положение, со­ответствующее среднему току к.з. С этой целью к двигателю подводят небольшое напряжение (U_K = 0,1U_ном) и, медленно повора­чивая ротор, следят за показанием амперметра, стрелка которого будет колебаться в зависимости от положения ротора двигателя. Объясняется это взаимным смещением зубцовых зон ротора и ста­тора, вызывающего колебания индуктивных сопротивлений обмо­ток двигателя.

Ваттметр W измеряет активную мощность к.з. P_к По полу­ченным значениям напряжений U_K,токов I_к и мощностей Р_квы­числяют следующие параметры:

коэффициент мощности при к.з.

полное сопротивление к.з. (Ом)

активные и индуктивные составляющие этого сопротивления (Ом)

x_к = (14.12)

Измеренные и вычисленные величины заносят в таблицу, а за­тем строят характеристики к.з.: I_к; Р_к и cos φ_к = f(U_к) (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Характеристики к.з. трехфазного асинхронно­го

двигателя (3,0 кВт, 220/380 В, 1430 об/мин)

проведения опыта, по формуле

где — r_1.20 сопротивление фазы обмотки статора в холодном со­стоянии (обычно при температуре 20 °С), Ом.

Если же температура обмотки оказалась меньше расчетной рабочей температуры Θ₂ для соответствующего класса нагревостойкости изоляции двигателя (см. § 8.4), то активное сопротивле­ние к.з. к_к (Ом) пересчитывают на рабочую температуру:

Затем пересчитывают на рабочую температуру полное сопро­тивление к.з. z_k = , напряжение к.з. U_к = I_к z_k и мощность к.з. Р_к = m₁ I 2 _к r_к.

На характеристиках к.з. (рис. 14.3) отмечают значения вели­чин Р_к.ном, U_к.ном, соответствующих току к.з. I_к = I_1ном.

Ток и мощность к.з. пересчитывают на номинальное напряже­ние U_1ном:

Следует иметь в виду, что такой пересчет является прибли­женным, так как при U_K = U_1ном наступает магнитное насыщение сердечников (особенно зубцовых слоев) статора и ротора; это при­водит к уменьшению индуктивного сопротивления х_к, что не учи­тывается формулами (14.15) и (14.16). Кратность пускового тока равна I_п /I_ном.

Электромагнитная мощность в режиме к.з., передаваемая на ротор двигателя, равна электрическим потерям в обмотке ротора Р_Э2к, поэтому электромагнитный момент при опыте к.з. (Н м)

где Р_э1к = m₁ I 2 _к._ном r₁ — электрические потери в обмотке статора при опыте к.з.

Магнитные потери при опыте к.з. Р_м.к приближенно опреде­ляют по характеристикам х.х. (см. рис. 14.2) при напряжении U₁ = U_K. В режиме х.х. магнитный поток Ф больше, чем в режиме к.з., но если в режиме х.х. магнитные потери происходят только в сердеч­нике статора (см. § 13.1), то в режиме к.з. (s = 1) магнитные потери происходят еще и в сердечнике ротора, так как f₂ = f₁.

Начальный пусковой момент получают пересчетом момента М_к на начальный пусковой ток I_п:

Затем определяют кратность пускового момента М_п/ М_ном.

Источник

Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя

Асинхронные моменты.Магнитные поля от высших про­странственных гармоник, сцепляясь с обмоткой ротора, наводят в ней ЭДС и создают в двигателе собственные электромагнитные асинхронные моменты. Эти моменты ухудшают свойства двигате­ля, поэтому их принято называть паразитными. При рассмот­рении выражения электромагнитного момента и механической характеристики асинхронного двигателя (см. § 13.2) имелось в ви­ду действие лишь магнитного поля основной гармоники. Если же учесть влияние высших пространственных гармоник поля, то кри­вая электромагнитного момента (см. рис. 13.3) окажется искажен­ной. В зависимости от направления и частоты вращения n_υ маг­нитного поля высшей пространственной гармоники и направления создаваемого ею электромагнитного момента M_υ высшие про­странственные гармоники поля могут создать в асинхронном дви­гателе три режима: двигательный режим, если поле выс­шей гармоники прямовращающееся и частота его вращения n_υ > n₂,а направление момента M_υ положительное, т. е. он направлен со­гласно с моментом основной гармоники М; генераторный режим, если поле высшей гармоники прямовращающееся и час­тота его вращения n_υ

«Провал» кривой момента М_РЕЗ, (участок при 0,7

Рис. 13.10. Асинхронные моменты от основной

и выс­ших (5-й и 7-й) гармоник поля

Рис. 13.11. Влияние взаимного расположения

в простран­стве полюсов высших пространственных

гармоник поля статора и ротора на направление

а— синхронный момент положительный,

б— синхронный мо­мент отрицательный

Эффективное средство ослабления влияния высших гармоник на свойства двигателей — скос пазов ротора в пределах зубцового деления.В этом случае ЭДС в стержнях ротора от зубцовых гармоник поля статора снижаются почти до нуля. Действие высших гармоник поля ослабляют также правильным выбором числа пазов статора Z₁ и ротора Z₂.Рекомендуется соотношение Z₂ ≤ l,25 (Z₁ ± p ).

Синхронные моменты.Между вращающимися магнитными полями высших пространственных гармоник статора и ротора, имеющими одинаковый порядок, возникают силы магнитного взаимодействия. Результатом этого взаимодействия является воз­никновение синхронного момента М_cυ. В общем случае поля ста­тора и ротора от высших пространственных гармоник вращаются с разными частотами (n_υ1 ≠ n_υ2), а поэтому направление синхронно­го момента M_cυменяется в зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов взаимодействующих полей. Обычно частота изменения знака момента M_cυ велика, и из-за большой инерции ротора этот момент не оказывает заметного влияния на вращение ротора. Но при некоторой частоте вращения ротора поля высших гармоник статора и ротора начинают вращаться с одинаковой час­тотой вращения (n_υ1 = n_υ2). В этом случае направление синхронного момента M_cυ становится стабильным. В зависимости от взаимного расположения магнитных полюсов магнитных полей момент M_cυ мо­жет быть положительным или отрицательным (рис. 13.11).

Синхронные моменты в асинхронном двигателе нежелатель­ны, т. е. являются паразитными, так как они могут вызвать прова­лы в механической характеристике двигателя. Наибольшего зна­чения синхронные моменты достигают при наличии зубцовых гармоник поля статора и ротора одинакового порядка, т. е. при υ_z1 = υ_z2. Синхронные моменты наиболее опасны при следующих соотношениях пазов статора и ротора (Z₁и Z₂):

Особенно нежелательно равенство числа пазов на статоре и роторе (Z₁ = Z₂),так как это может привести к «прилипанию» ро­тора к статору: зубцы ротора силами магнитного тяжения удержи­ваются под зубцами статора. Уменьшению синхронных моментов способствует скос пазов на роторе.

1.Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе?

2.Почему магнитные потери в сердечнике ротора не учитывают?

3.На какие виды потерь влияют величина воздушного зазора и толщина пла­стин сердечника статора?

5.Почему график I₁ = f(P₂)не выходит из начала координат?

6.Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его cos φ₁, имеет низ­кие значения?

7.При каких условиях высшие пространственные гармоники поля создают и асинхронном двигателе двигательный, генераторный и тормозной режимы?

8. Какими причинами может быть вызван «провал» в механической характери­стике?

9.При каких условиях может происходить «прилипание» ротора к статору?

10. Какими мерами можно ослабить паразитные моменты в двигателе?

Дата добавления: 2015-01-19 ; просмотров: 134 ; Нарушение авторских прав

Источник