Основные элементы асинхронного двигателя: Трехфазный асинхронный двигатель

ЛЕКЦИЯ 12. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ — Студопедия

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигатель — это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

 

На рисунке: 1 — вал, 2,6 — подшипники, 3,8 — подшипниковые щиты, 4 — лапы, 5 — кожух вентилятора, 7 — крыльчатка вентилятора, 9 — короткозамкнутый ротор, 10 — статор, 11 — коробка выводов.

 

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой». В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье -асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение s — это величина, которая показывает, насколько синхронная частотаn₁магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротораn₂, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n₂ ротора относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины s_кр—критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме — 1 — 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Однофазный асинхронный электродвигатель

Дмитрий Левкин

Однофазный асинхронный электродвигатель — это асинхронный электродвигатель, который работает от электрической сети однофазного переменного тока без использования частотного преобразователя и который в основном режиме работы (после пуска) использует только одну обмотку (фазу) статора.

Конструкция однофазного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, статор — неподвижная часть электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Основные части однофазного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Основная обмотка называется главной (рабочей) и обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически является двухфазным, но так как рабочей является только одна обмотка, электродвигатель называют однофазным.

Ротор обычно представляет из себя короткозамкнутую обмотку, также из-за схожести называемой «беличьей клеткой». Медные или алюминиевые стержни которого с торцов замкнуты кольцами, а пространство между стержнями чаще всего заливается сплавом алюминия. Так же ротор однофазного двигателя может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Однофазный двигатель с вспомогательной обмоткой имеет 2 обмотки расположенные перпендикулярно относительно друг друга

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Для того чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотки.

Проанализируем случай с двумя обмотками имеющими по оному витку

Рассмотрим случай когда в вспомогательной обмотки не течет ток. При включении главной обмотки статора в сеть, переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве, но изменяющееся от +Ф_mах до -Ф_mах.

Запустить

Остановить

Пульсирующее магнитное поле

Если поместить ротор, имеющий начальное вращение, в пульсирующее магнитное поле, то он будет продолжать вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип действия однофазного асинхронного двигателя разложим пульсирующее магнитное поле на два одинаковых круговых поля, имеющих амплитуду равную Ф_mах/2 и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой:

,

• где n_пр – частота вращения магнитного поля в прямом направлении, об/мин,
• n_обр – частота вращения магнитного поля в обратном направлении, об/мин,
• f₁ – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов,
• n₁ – скорость вращения магнитного потока, об/мин

Запустить

Остановить

Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие пульсирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай когда ротор, находящийся в пульсирующем магнитном потоке, имеет начальное вращение. Например, мы вручную раскрутили вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к сети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неодинаковым.

Будем считать, что прямой магнитный поток Ф_пр, вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Ф_обр — в противоположном направлении. Так как, частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного потока n₁, скольжение ротора относительно потока Ф_пр будет:

,

• где s_пр – скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
• n₂ – частота вращения ротора, об/мин,
• s – скольжение асинхронного двигателя

Прямой и обратный вращающиеся магнитные потоки вместо пульсирующего магнитного потока

Магнитный поток Ф_обр вращается встречно ротору, частота вращения ротора n₂ относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Ф_обр

,

• где s_обр – скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле пронизывающее ротор

Ток индуцируемый в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции прямой Ф_пр и обратный Ф_обр магнитные потоки, создаваемые обмоткой статора, наводят в обмотке ротора ЭДС, которые соответственно создают в короткозамкнутом роторе токи I_2пр и I_2обр. При этом частота тока в роторе пропорциональна скольжению, следовательно:

,

• где f_2пр – частота тока I_2пр наводимого прямым магнитным потоком, Гц

,

• где f_2обр – частота тока I_2обр наводимого обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, при вращающемся роторе, электрический ток I_2обр, наводимый обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f_2обр, намного превышающую частоту f_2пр тока ротора I_2пр, наведенного прямым полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f₁ = 50 Гц при n₁ = 1500 и n₂ = 1440 об/мин,

скольжение ротора относительно прямого магнитного потока s_пр = 0,04;
частота тока наводимого прямым магнитным потоком f_2пр = 2 Гц;
скольжение ротора относительно обратного магнитного потока s_обр = 1,96;
частота тока наводимого обратным магнитным потоком f_2обр = 98 Гц

Согласно закону Ампера, в результате взаимодействия электрического тока I_2пр с магнитным полем Ф_пр возникает вращающий момент

,

• где M_пр – магнитный момент создаваемый прямым магнитным потоком, Н∙м,
• с_M — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I_2обр, взаимодействуя с магнитным полем Ф_обр, создает тормозящий момент М_обр, направленный против вращения ротора, то есть встречно моменту М_пр:

,

• где M_обр – магнитный момент создаваемый обратным магнитным потоком, Н∙м

Результирующий вращающий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

,

Справка: В следствие того, что во вращающемся роторе прямым и обратным магнитным полем будет наводиться ток разной частоты, моменты сил действующие на ротор в разных направлениях будут не равны. Поэтому ротор будет продолжать вращаться в пульсирующем магнитном поле в том направлении в котором он имел начальное вращение.

Тормозящее действие обратного поля

При работе однофазного двигателя в пределах номинальной нагрузки, то есть при небольших значениях скольжения s = s_пр, крутящий момент создается в основном за счет момента М_пр. Тормозящее действие момента обратного поля М_обр — незначительно. Это связано с тем, что частота f_2обр много больше частоты f_2пр, следовательно, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора х_2обр = x₂s_обр току I_2обр намного больше его активного сопротивления. Поэтому ток I_2обр, имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Ф_обр, значительно ослабляя его.

,

• где r₂ — активное сопротивление стержней ротора, Ом,
• x_2обр — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности невелик, то станет, ясно, почему М_обр в режиме нагрузки двигателя не оказывает значительного тормозящего действия на ротор однофазного двигателя.

С помощью одной фазы нельзя запустить ротор

Ротор имеющий начальное вращение будет продолжать вращаться в поле создаваемом однофазным статором

Действие пульсирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n₂ = 0) скольжение s_пр = s_обр = 1 и М_пр = М_обр, поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя М_п = 0. Для создания пускового момента необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, нарушается равенство моментов М_пр и М_обр и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение .

Пуск однофазного двигателя. Как создать начальное вращение?

Одним из способов создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе, является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, смещенной в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A на угол 90 электрических градусов. Чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле токи I_A и I_B в обмотках должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами I_A и I_B в цепь вспомогательной (пусковой) обмотки В включают фазосмещающий элемент, в качестве которого используют активное сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор) [1].

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, пусковую обмотку В отключают. Отключение вспомогательной обмотки происходит либо автоматически с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового или дифференциального реле, или же вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время пуска двигатель работает как двухфазный, а по окончании пуска — как однофазный.

Подключение однофазного двигателя

С пусковым сопротивлением

Двигатель с расщепленной фазой — однофазный асинхронный двигатель, имеющий на статоре вспомогательную первичную обмотку, смещенную относительно основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Однофазный асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным активным сопротивлением.

Омический сдвиг фаз, биффилярный способ намотки пусковой обмотки

Разное сопротивление и индуктивность обмоток

Для запуска однофазного двигателя можно использовать пусковой резистор, который последовательно подключается к пусковой обмотки. В этом случае можно добиться сдвига фаз в 30° между токами главной и вспомогательной обмотки, которого вполне достаточно для пуска двигателя. В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется разным комплексным сопротивлением цепей.

Также сдвиг фаз можно создать за счет использования пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и более высоким сопротивлением. Для этого пусковая обмотка делается с меньшим количеством витков и с использованием более тонкого провода чем в главной обмотке.

Отечественной промышленностью изготавливается серия однофазных асинхронных электродвигателей с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента серии АОЛБ мощностью от 18 до 600 Вт при синхронной частоте вращения 3000 и 1500 об/мин, предназначенных для включения в сеть напряжением 127, 220 или 380 В, частотой 50 Гц.

С конденсаторным пуском

Двигатель с конденсаторным пуском — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Ёмкостной сдвиг фаз с пусковым конденсатором

Чтобы достичь максимального пускового момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого требуется чтобы токи в главной и вспомогательной обмотках были сдвинуты друг относительно друга на 90°. Использование в качестве фазосдвигающего элемента резистора или дросселя не позволяет обеспечить требуемый сдвиг фаз. Лишь включение конденсатора определенной емкости позволяет обеспечить фазовый сдвиг 90°.

Среди фазосдвигающих элементов, только конденсатор позволяет добиться наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели в цепь которых постоянно включен конденсатор используют для работы две фазы и называются — конденсаторными. Принцип действия этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Двигатель с экранированными полюсами — двигатель с расщепленной фазой, у которого вспомогательная обмотка короткозамкнута.

Статор однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами обычно имеет явно выраженные полюса. На явно выраженных полюсах статора намотаны катушки однофазной обмотки возбуждения. Каждый полюс статора разделен на две неравные части аксиальным пазом. Меньшую часть полюса охватывает короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с экранированными полюсами — короткозамкнутый в виде «беличьей» клетки.

При включении однофазной обмотки статора в сеть в магнитопроводе двигателя создается пульсирующий магнитный поток. Одна часть которого проходит по неэкранированной Ф’, а другая Ф» — по экранированной части полюса. Поток Ф» наводит в короткозамкнутом витке ЭДС E_k, в результате чего возникает ток I_k отстающий от E_k по фазе из-за индуктивности витка. Ток I_k создает магнитный поток Ф_k, направленный встречно Ф», создавая результирующий поток в экранированной части полюса Ф_э=Ф»+Ф_k. Таким образом, в двигателе потоки экранированной и неэкранированной частей полюса сдвинуты во времени на некоторый угол.

Пространственный и временной углы сдвига между потоками Ф_э и Ф’ создают условия для возникновения в двигателе вращающегося эллиптического магнитного поля, так как Ф_э ≠ Ф’.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя невысоки. КПД намного ниже, чем у конденсаторных двигателей такой же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Статор такого однофазного двигателя выполняется с ярко выраженными полюсами на не симметричном шихтованном сердечнике. Ротор — короткозамкнутый типа «беличья клетка».

Данный электродвигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком данного двигателя является низкий КПД.

7.1.5 . Элементы конструкции асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель конструктивно состоит из статора — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть.

Статор. Сердечник статора представляет из себя цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали с пазами на внутренней стороне. В эти пазы уложены трехфазные обмотки, соединенные с сетью (Рис.7.9.).

Рис.7.9.

Существует два типа ротора:

Беличья клетка (короткозамкнутый ротор). На рис. 7.10. и 7.11. представлены: сердечник ротора и короткозамкнутая обмотка.

Рис.7.10. Рис.7.11.

На практике обмотка ротора отливается из алюминия в отверстия в пластинах сердечника, одновременно с этим отливаются элементы охлаждения двигателя (крылья).

Фазный ротор. Если вместо отверстий в пластинах сердечника сделать пазы, то в них может быть уложена трехфазная обмотка ротора, которая с помощью щеток и колец соединяется с внешней цепью. Как правило, это соединение «звезда» вместе с трехфазным реостатом.

7.1.6. Электродвижущие силы ротора и статора

Если вращающееся магнитное поле создает синусоидальный магнитный поток Ф_mp, то (аналогично трансформатору) имеем выражения для ЭДС статора E₁ = 4,44 f₁ N₁ K₁ Ф_mp, и ротора E_2s = 4,44 f₂ N₂ K₂ Ф_mp где: K₁ ,K₂ — обмоточные коэффициенты; N₁ ,N₂ — число витков обмоток; f₁ — частота сети; f₂ — частота роторных токов, зависящая от скольжения и частоты сети f₂ = sf₁.

В момент пуска двигателя, когда n = 0 и s = 1 ЭДС ротора будет

E₂ = 4,44 f₂ N₂ K₂ Ф_mp или E_2s = s E₂.

То есть ЭДС ротора зависит от скольжения.

Исходя из ранее сказанного, можно записать выражения для реактивных сопротивлений статора и ротора: X₁ = 2 f₁ L₁ и X_2s = 2 f₂ L₂.

Зная, что f₂ = s f₁ имеем X_2s = s 2 f₁ L₂ и тогда для пуска двигателя получим X₂ = 2 f₁ L₂. Итак реактивное сопротивление ротора также зависит от скольжения X_2s=sX₂.

7.1.7. Основные уравнения асинхронного двигателя

Аналогично трансформатору можно представить эквивалентные схемы ротора и статора (Рис.7.12. и 7.13.):

Рис.7.12. Рис.7.13.

Согласно II закону Кирхгофа запишем уравнения соответствующие данным схемам:

где: U₁ — напряжение сети; X₁, R₁ — реактивное и активное сопротивления статора; X_2s, R₂ — реактивное и активное сопротивления ротора; E₁ ,E_2s — ЭДС статора и ротора.

Для пуска двигателя (s = 1) имеем:

Когда ротор вращается (0<s<1), первое уравнение остается неизменным, а второе трансформируется в: откуда.

Подставляя в уравнение следующее выражение , получим, где:— эквивалентная нагрузка двигателя.

7.1.8. Вращающий момент

Активная электрическая мощность трехфазного асинхронного двигателя известна ,.

где два первых члена уравнения соответствуют электрическим потерям в статоре и роторе, а третий определяет электрическую мощность, которая преобразуется в механическую.

Согласно классической формуле механики имеем P_мех=M =M_s(1 — s),

где: M — механический момент [Н м];  — угловая скорость [рад/сек].

Приравнивая электрическую и механическую мощности, получим = M_s (1 — s), откуда формула момента будет .

Считая, что аналогично трансформатору, выделим из основных уравнений асинхронного двигателя ток ротораI₂ , исключая при этом ЭДС E₂ :

Пренебрегая падениями напряжения I₁R₁ и I₁X₁ по сравнению с U₁, получим: . И тогда окончательно в действующих значениях будем иметь:

В результате выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Устройство асинхронной машины — Студопедия

Конструктивные формы исполнения электрических машин.

Основные сведения о серийных асинхронных двигателях.

Режимы работы асинхронной машины.

Принцип действия асинхронной машины.

Устройство асинхронной машины.

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция № 2

Навигационных комплексов

Иркутский филиал МГТУ ГА

Иркутск, 2007 г.

Асинхронные электрические машины

Электрические машины

ЛЕКЦИЯ № 9

И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

по дисциплине

для студентов специальности 160903

ТЕМА № 2

Кафедра Авиационных электросистем и пилотажно-

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой АЭС и ПНК

к.т.н., доцент Мишин С.В.

«14» марта 2008 г.

По дисциплине: Электрические машины

Тема лекции: Асинхронные электрические машины (2 часа)

ЛИТЕРАТУРА

1. Копылов Б.В. Электрические машины. М., 1988 г.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

Обсуждено на заседании кафедры

«14» марта 2008 г., протокол №8/07

Асинхронная машина состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.1). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Рис.1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

1, 11 — подшипники; 2 — вал; 3, 9 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 6 — сердечник статора с обмоткой; 7 — корпус; 8 — обмотка статора; 10 — вентилятор; 12 — кожух вентилятора; 13 – наружная оребренная поверхность корпуса; 14 – лапы; 15 – болт заземления

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 7 и сердечника 6 с трехфазной обмоткой 8. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 6, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала 2 и сердечника 5 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рис.2, а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Рис.2. Короткозамкнутый ротор:

а – обмотка «беличья клетка»; б – ротор с обмоткой, выполненной литьем под давлением;

Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис.2, б).

Вал ротора вращается в подшипниках качения 1 и 11, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 9.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса 13. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 10 прикрытым кожухом 12. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис.3). В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Рис.3. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек

при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 14 (см. рис.1), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления 15 (не менее двух). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис.4, а.

Рис.4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей — двигатели с фазным ротором — конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис.5). Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис.6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис.4, б. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R_доб.

На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).

Рис.5. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором:

1, 7 — подшипники; 2, 6 – подшипниковые щиты; 3 — корпус; 4 – сердечник статора с обмоткой; 5 – сердечник ротора; 8 — вал; 9 – коробка выводов; 10 — лапы; 11 – контактные кольца

Однофазный асинхронный двигатель

Дмитрий Левкин

Однофазный асинхронный электродвигатель представляет собой асинхронный электродвигатель, который работает от однофазной сети переменного тока без использования преобразователя частоты и который в базовом режиме работы (после запуска) использует только одну обмотку (фазу). статора.

Сплитфазный двигатель — это однофазный асинхронный двигатель, имеющий вспомогательную (пусковую) обмотку на статоре, смещенную от основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Конструкция однофазного асинхронного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор является вращающейся частью электродвигателя, статор является неподвижной частью электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Основные части однофазного асинхронного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90 ° относительно друг друга.Основная (рабочая) обмотка обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически двухфазный, но поскольку после запуска работает только одна обмотка, электродвигатель называется однофазным.

Ротор обычно представляет собой короткозамкнутую обмотку, также называемую «короткозамкнутой клеткой» из-за сходства. Чьи медные или алюминиевые стержни закрыты кольцами на концах, а пространство между стержнями часто заполнено алюминиевым сплавом.Ротор однофазного двигателя также может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Однофазный асинхронный двигатель со вспомогательной обмоткой имеет две обмотки, расположенные перпендикулярно друг другу

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотках.

Анализ корпуса с двумя обмотками, имеющими один оборот

Рассмотрим случай, когда ток не течет во вспомогательной обмотке.При включении основной обмотки статора переменный ток, проходящий через обмотку, создает пульсирующее магнитное поле, стационарное в пространстве, но колеблющееся от + Ф _макс. до -Ф _макс. .

Старт

Стоп

Колеблющееся магнитное поле

Если вы поместите короткозамкнутый ротор с начальным вращением в флуктуирующее магнитное поле, он продолжит вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип работы однофазного асинхронного двигателя, мы разделяем флуктуирующее магнитное поле на два одинаковых вращающихся поля, имеющих амплитуду, равную Ф _макс. /2 и вращающихся в противоположных направлениях с той же частотой:

,

• , где n _f — скорость вращения магнитного поля в прямом направлении, об / мин,
• n _r — скорость вращения магнитного поля в обратном направлении, об / мин,
• f ₁ — частота тока статора, Гц,
• — число пар полюсов,
• n ₁ — скорость вращения магнитного потока, об / мин

Старт

Стоп

Разложение флуктуирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие флуктуирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай, когда ротор в флуктуирующем магнитном потоке имеет начальное вращение.Например, мы вручную вращали вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к электросети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать крутящий момент, поскольку скольжение ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неравным.

Предположим, что прямой магнитный поток Ф _f вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Ф _r в противоположном направлении. Поскольку скорость вращения ротора n ₂ меньше скорости вращения магнитного потока n ₁ , то скольжение ротора относительно потока Ф _f будет:

,

• , где s _f — скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
• n ₂ — частота вращения ротора,
• с асинхронным двигателем скольжения

Прямой и обратный вращающийся магнитный поток вместо флуктуирующего магнитного потока

Магнитный поток Ф _r вращается против вращения ротора, скорость вращения ротора n ₂ относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Ф _r

,

• , где s _r — скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Старт

Стоп

Вращающееся магнитное поле, пронизывающее ротор

Ток, индуцированный в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции, магнитные потоки прямого Ф _f и обратного Ф _r , генерируемые обмоткой статора, индуцируют ЭДС в обмотке ротора, которая, соответственно, в короткозамкнутом роторе генерирует токи I _2f. а я _2р .Частота тока в роторе пропорциональна скольжению, поэтому:

,

• , где f _2f — частота тока I _2f , индуцированного прямым магнитным потоком, Гц

,

• , где f _2r — частота тока I _2r , индуцированного обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, когда ротор вращается, электрический ток I _2r , индуцированный обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f _2r , значительно превышающую частоту f _2f индуцированного тока ротора I _2f передним полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f ₁ = 50 Гц при n ₁ = 1500 и n ₂ = 1440 об / мин, скольжение ротора

относительно прямой магнитный поток s _f = 0,04;
частота тока, индуцированного прямым магнитным потоком f _2f = 2 Гц;
проскальзывание ротора относительно обратного магнитного потока а с _р = 1,96;
частота тока, индуцированного обратным магнитным потоком f _2r = 98 Гц

Согласно закону Ампера, крутящий момент возникает в результате взаимодействия электрического тока I _2f с магнитным полем F _f

,

• , где M _f — магнитный момент, создаваемый прямым магнитным потоком, Н ∙ м,
• с _М — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I _2r , взаимодействуя с магнитным полем Ф _r , создает тормозной момент M _r , направленный против вращения ротора, то есть в противоположность моменту M _f :

,

• , где M _r — магнитный крутящий момент, создаваемый обратным магнитным потоком, Н 900 м

Результирующий крутящий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

,

Примечание: В связи с тем, что во вращающемся роторе прямое и обратное магнитное поле будет индуцировать ток различной частоты, крутящие моменты, действующие на ротор в разных направлениях, не будут одинаковыми.Следовательно, ротор будет продолжать вращаться в колеблющемся магнитном поле в направлении, в котором он имел начальное вращение.

Эффект торможения обратного поля

Когда однофазный двигатель работает в пределах номинальной нагрузки, то есть при малых значениях скольжения s = s _f , крутящий момент создается в основном за счет крутящего момента M _f . Эффект торможения от крутящего момента обратного поля M _r незначительный. Это связано с тем, что частота f _2r намного выше частоты f _2f , поэтому индуктивное сопротивление обмотки ротора а х _2r = x ₂ с _r к току У меня _2р намного больше, чем у него активное сопротивление.Следовательно, ток I _2r , имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Ф _r , значительно ослабляя его.

,

• , где r ₂ — сопротивление стержней ротора, Ом,
• x _2r — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности мал, то станет понятно, почему M _r под нагрузкой двигателя не оказывает существенного тормозного воздействия на ротор однофазного двигателя.

При одной фазе ротор не может быть запущен.

Ротор, имеющий начальное вращение, будет продолжать вращаться в поле, создаваемом однофазным статором

Действие флуктуирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n ₂ = 0) скольжение s _f = s _r = 1 и M _f = M _r , поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя M _f = 0.Чтобы создать пусковой момент, необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, равенство моментов М _f и М _r нарушается, и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение M = M _f — M _r ≠ 0.

Запуск однофазного асинхронного двигателя. Как создать начальный поворот?

Одним из способов создания пускового крутящего момента в однофазном асинхронном двигателе является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, которая смещена в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A под углом 90 электрических градусов.Для того чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле, токи I _A и I _B в обмотках должны быть не в фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами I _A и I _B вспомогательная (пусковая) обмотка B соединена с фазосдвигающим элементом, который представляет собой сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор). [1].

После того, как ротор двигателя ускоряется до скорости вращения, близкой к постоянной, пусковая обмотка B отключается.Вспомогательная обмотка отключается либо автоматически с помощью центробежного переключателя, реле задержки времени, тока или дифференциального реле, либо вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время запуска однофазный асинхронный двигатель работает как двухфазный, а после запуска — как однофазный.

Подключение однофазного асинхронного двигателя

Сопротивление пуска асинхронного двигателя

Сопротивление пуска Асинхронный двигатель представляет собой двухфазный двигатель, в котором цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным сопротивлением.

Омический фазовый сдвиг, бифилярная пусковая обмотка

Различное сопротивление и индуктивность обмоток

Для запуска однофазного асинхронного двигателя вы можете использовать пусковой резистор, который последовательно подключен к пусковой обмотке. В этом случае можно добиться сдвига фаз на 30 ° между токами главной и вспомогательной обмоток, чего вполне достаточно для запуска двигателя.В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется различным комплексным сопротивлением цепей.

Кроме того, фазовый сдвиг можно создать с помощью пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и большим сопротивлением. Для этого пусковая обмотка выполняется с меньшим числом витков и с использованием более тонкой проволоки, чем в основной обмотке.

Пусковой конденсаторный асинхронный двигатель

Запуск конденсатора Асинхронный двигатель представляет собой двухфазный двигатель, в котором цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Емкостный фазовый сдвиг с пусковым конденсатором

Для достижения максимального пускового крутящего момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого необходимо, чтобы токи в основной и вспомогательной обмотках были смещены относительно друг друга на 90 °. Использование резистора или дросселя в качестве элемента, сдвигающего фазу, не обеспечивает требуемого сдвига фаз. Только включение конденсатора определенной емкости позволяет сдвиг фазы на 90 °.

Среди фазосдвигающих элементов только конденсатор позволяет достичь наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели, в цепи которых постоянно включенный конденсатор, используют две фазы для работы и называются конденсаторными. Принцип работы этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Асинхронный двигатель с заштрихованными полюсами представляет собой двухфазный двигатель, в котором вспомогательная обмотка замкнута накоротко.

Статор однофазного асинхронного двигателя с заштрихованными полюсами обычно имеет выступающие полюса. Каждый полюс статора разделен на две неравные секции осевой канавкой. Меньшая часть полюса имеет короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с заштрихованными полюсами закорочен в виде короткозамкнутого сепаратора.

Когда однофазная обмотка статора включена в электрическую сеть, в магнитной цепи двигателя создается флуктуирующий магнитный поток.Одна часть которого проходит через незатененную Ф ‘, а другая Ф «вдоль затененного участка полюса. Поток Ф» вызывает короткое замыкание ЭДС E _k , в результате чего ток I _k отстает от E _к в фазе из-за индуктивности катушки. Ток I _к создает магнитный поток Ф _к , направленный противоположно Ф «, создавая результирующий поток в затененном участке полюса Ф _с = Ф» + Ф _к . Таким образом, в двигателе потоки затененных и незатененных участков полюса смещаются во времени на определенный угол.

Пространственные и временные углы сдвига между потоками Ф _с и Ф ‘создают условия для появления вращающегося эллиптического магнитного поля в двигателе, начиная с Ф _с ≠ Ф’.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя низкие. КПД намного ниже, чем у асинхронных двигателей с пусковым конденсатором той же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутой катушке.

Статор такого однофазного двигателя выполнен с выступающими полюсами на несимметричном многослойном сердечнике.Ротор имеет короткозамкнутую обмотку.

Этот двигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком этого мотора является низкий КПД.

Также прочитайте

.

Метод конечных элементов Магнит: InductionMotorExample

Дэвид Микер

[email protected]

20 августа 2004 г.

Введение

Часто задаваемый вопрос о FEMM: «Как вы проанализировать асинхронный двигатель? » В общем-то, хотелось бы использовать программу для моделирования производительности индукции машина на скорости и под нагрузкой. Однако в настоящее время все анализы в FEMM являются механически статичными. конфигурации.Вместо того, чтобы моделировать поведение машины напрямую, нужно определить производительность на скорости и нагрузке через серию симуляций статических конфигураций.

Индукционная машина с подвижным ротором, которая может быть смоделирована используя относительно простую модель схемы. Цель статического анализа FEMM состоит в том, чтобы идентифицировать параметры в модели схемы. это Тогда модель схемы может использоваться в самых разных условиях (например, , например, ). даже переходные симуляции). Хотя Параметры схемы часто могут быть аппроксимированы выражениями в замкнутой форме в явные термины геометрии двигателя, точка определения этих параметров с помощью анализа методом конечных элементов, чтобы проверить аппроксимации и упрощения, которые неизбежно должны быть сделаны при выводе аналитические расчетные формулы.

Цель этого примера — продемонстрировать в относительно шаг за шагом, как идти о создании и идентификации модель индукционной машины с использованием FEMM. В этом примере будет рассмотрен двигатель 220 В, 50 Гц, 2 л.с.

Файлы, упомянутые в этой статье, доступны здесь.

Асинхронный двигатель Модель

Подходящая модель асинхронного двигателя должна сначала определенные до того, как параметры в этой модели могут быть выведены.Разумный Предполагаемая модель может быть той, что изображена на рисунке 1. Эта модель предназначена для представления одной фазы индукционной машины, работающей в устойчивом состоянии (т.е. , то есть при постоянном электрическая частота и постоянная механическая скорость). В этой модели все утечки сосредоточены на сторона статора цепи в индуктивности L _l . Муфта к ротор и токи на роторе представлены параллельными путями через индуктор М , представляющий индуктивность магнитного цепь, соединяющая ротор и статор и через резистор R _R , представляющих работу, рассеиваемую в виде тепла в роторе и доставляемую нагрузке в виде механическая сила.В этой схеме уравнение, V представляет фазное напряжение , действующее среднеквадратичное напряжение на каждой фазе машины, и I представляет фазовый ток , среднеквадратичное значение тока через каждую фазу машины. Это важно различия, потому что в зависимости от того, как двигатель подключен (т. е. , т. е. или треугольник), линейное напряжение может или не может быть равным фазному напряжению, и ток в линии может или не может быть равен фазному току.Чтобы устранить любую двусмысленность, эта записка будет иметь дело с моделью, представленной исключительно с точки зрения фазного тока и фазы напряжение.

Рисунок 1: Простая стационарная индукция фазы модель двигателя.

Символ ω представляет приложенную электрическую частоту (в радиан / сек). Символ ω _с представляет собой разницу между механическая частота ротора и его электрическая частота. Если статор построен с р пары полюсов, мы можем определить частоту скольжения ω _с в терминах электрической частоты и механической частоты вращения ротора ω _r как:

Теперь, когда у нас есть модель двигателя, мы можем использовать эту модель получить некоторые полезные отношения между фазным током, фазным напряжением и крутящий момент.

Моторное сопротивление

Сопротивление двигателя может быть добавлены вместе так же, как резисторы, используя те же правила для параллельные и последовательные конфигурации. В В этом случае полное сопротивление двигателя может быть представлено Z , где:

, где τ — постоянная времени ротора, M / R _r .

Напряжение связано с током через:

фазовая связь потока

результат, который будет полезно позже в примечании является связь потока любого конкретного фаза.Можно отметить, что второй Член в импедансе умножается на j ω , что означает, что это вклад напряжения, который имеет отношение к изменению потока при частота ω . Тогда мы можем подразумевать, что поток Φ , связывание любой фазы:

Делив на ток, мы можем получить квитанцию частотно-зависимая индуктивность. это Результат может быть разделен на реальные и сложные компоненты как:

(1)

Зависимость этой индуктивности от частоты скольжения обеспечивает нам с механизмом, который мы позже будем использовать для определения параметров двигателя.Поскольку связь потока легко рассчитать и может быть получен с высокой точностью в реализации FEMM, затем можно использовать расчеты связи потока на разных частотах скольжения для сравнения с (1) по идентифицируют M , L _l и R _r параметры мотора.

Крутящий момент

как функция тока

Так как пример — двигатель, в конечном счете, с генерацией крутящего момента. Крутящий момент может быть подразумевается непосредственно от модели схемы.Рассмотрим, ссылаясь на рисунок 1, мощность, которая рассеивается в кажущееся «сопротивление» ротора:

Умножение на три, потому что это трехфазный машина, и мы заинтересованы в общей мощности ротора в машине. Предполагается также, что и _р является среднеквадратичным током. Ротор может разложить на две отдельные потери: резистивные потери в роторе и поставленная механическая мощность:

, где первый член представляет механическую силу, а второй представляет потери ротора.Если мы переписать числитель механической силы с точки зрения механической скорости (используя предыдущее определение частоты скольжения), получаем:

Наконец, отметив, что механическая сила является продуктом крутящий момент и механическую скорость, мы просто делим на ω _r , чтобы получить крутящий момент Т :

Хотя это совершенно правильное выражение для крутящего момента, оно в терминах тока ротора, а не тока фазы.С помощью еще нескольких шагов результат крутящего момента может быть записано в терминах фазного тока. Уравнение петли напряжения вокруг ротора:

Решив

по току ротора, получим:

, если мы заметим, что общий ток является суммой токи намагничивания и ротора:

мы можем решить, чтобы получить:

Принимая величины и _р и Подстановка в выражение крутящего момента дает:

Если ток поддерживается постоянным и частота скольжения изменяется, кривая, показанная на рисунке 2 получена.Пиковый крутящий момент возникает при τω _с = 1.

Рисунок 2: Кривая постоянного тока скольжения.

Теперь, когда параметры двигателя определены, мы может вывести силу на машину из этих параметров и операционной условия (ток и частота скольжения).

Идентификация параметров модели с помощью анализа методом конечных элементов

Формулы, разработанные выше, могут быть использованы в качестве основы для конечно-элементная идентификация параметров двигателя.Используя FEMM, ротор не двигается; Однако это не представляет Особая проблема, касающаяся идентификации параметров. В случае нулевой скорости частота скольжения просто вырождается до ω _с = & omega.

Подход к анализу

На основании вышеизложенного есть как минимум две альтернативы подходы, которым можно следовать. Возможно, самый очевидный метод — это идентификация базовых параметров результаты крутящего момента анализируются с использованием постоянного тока статора в диапазоне частоты.

В качестве альтернативы можно попытаться приспособиться к индуктивности полученные результаты. Внутренне, программа получает связь потока, выполняя объемный интеграл, который тесно связан с вычисленная запасенная энергия, величина, которую FEMM вычисляет с высоким точность. Поэтому ожидается, что результаты этого расчета будут более точнее, чем расчеты крутящего момента. Для По этой причине подгонка к индуктивности будет рассмотрена в этой статье.

Подход тогда:

• К сформулировать конечно-элементную модель интересующего двигателя
• Применить 3-фазные токи для модели обмоток статора в диапазоне частот.(Не нужно беспокоиться о значениях токов ротора — программа вычисляет их сам, потому что токи ротора индуцированы вихревыми токами)
• для В каждом анализе оцените связь потока одной фазы, чтобы получить информация, которая требуется для соответствия параметрам в модели схемы.
• Выполнить регрессионный анализ для получения значений параметров.

Каждый из этих этапов теперь будет подробно описан с использованием конкретная геометрия двигателя в качестве примера.

Формула модели конечного элемента

Особый интересный двигатель рассчитан на 2 л.с. двигатель работает от сети 220 В _{среднеквадратичное значение} , трехфазное питание 50 Гц. Этот двигатель представляет собой 4-полюсную машину (, то есть , р = 2), что подразумевает, что он будет работать на скорости чуть менее 1500 об / мин. Конфигурация обмотки для одного полюса машины изображена ниже на рисунке 3. Есть в общей сложности 36 пазов на статоре и 28 пазов на роторе.В каждом слоте находится 44 витка (, то есть , так что фазный ток в 1 А будет помещать всего 44 Ампер * Обороты в слот). Диаметр ротора составляет 80 мм, а Зазор между ротором и статором составляет 0,375 мм. Длина машины в направлении страницы составляет 100 мм. Подробные размеры по другим аспектам машины можно почерпнуть из Файл CAD, 2horse.dxf.

Рисунок 3: Пример обмотки асинхронного двигателя конфигурации.

Этот двигатель предназначен для подключения фаз в дельта-конфигурация.В дельте конфигурации, амплитуда фазового напряжения равна напряжению между линиями амплитуда, но амплитуда тока фазы равна 1 / sqrt (3) линии амплитуда тока (, то есть фазовая амплитуда тока составляет примерно 60% амплитуда тока в линии).

Модель этой геометрии содержится во входном файле 2horse.fem. Есть ряд Важные вопросы, касающиеся этой геометрии:

• В связи с Из соображений симметрии моделируется только ¼ машины.Чтобы сделать действительную ¼ модель, анти-периодическая граничные условия используются, чтобы связать край в с краем в = 90 ^o . Каждое антипериодическое граничное условие может использоваться только для соединения одной пары сегментов. Поскольку существует четыре пары сегментов, которые должны быть связаны, четыре антипериодические граничные условия должны быть определены.

Только
• В модели используются линейные материалы. Приведенный выше подход предполагает, что импеданс не является функцией амплитуды тока, г.е. при условии линейных материалов. Следует отметить, что хотя Предположение о линейных материалах подходит для многих асинхронных двигателей модели, линейные материалы не могут быть использованы для моделирования машин с закрытыми геометрия ротора, потому что эти машины полагаются на насыщенность секция между пазами для ограничения потока утечки до допустимых уровней. Если это насыщение не моделируется, нефизические результаты получены для геометрии с прорезями. Хотя FEMM может моделировать нелинейно проблемы гармоник времени и подходит для анализа замкнутого интервала машины, подход анализа немного отличается от описанного в эта заметка.

• для В настоящих целях идентификации предполагается, что утюг статора имеет нулевая электропроводность (т. е. т. е. . вихревые токи в утюге пренебрегли.)

• стержни ротора смоделированы как марка алюминия с проводимостью 34,45 Масс-спектр / м. Это соответствует 1100 алюминий при комнатной температуре. Позже это сопротивление может быть скорректировано для фактической работы температура, предполагая, что сопротивление масштабируется пропорционально сопротивление алюминия.

Скрипт Lua, 2horse.lua, Теперь можно запустить, чтобы оценить индуктивность одной из фаз в двигателе по сравнению с частотой скольжения. Индуктивность довольно просто оценить. Mo_getcircuitproperties Команда возвращает связь потока указанной фазы. Индуктивность может быть получена путем деления потока связь по фазе тока.

Частота, Гц	Real Индуктивность	Воображаемый Индуктивность
0.25	0,3113897	-0,078562
0,5	0,2644535	-0,130207
0,75	0,2126343	-0,15379
1	0,1683203	-0.158362
1,25	0,1342043	-0,15323
1,5	0.1088912	-0,144139
1,75	0,07	-0,13398
2	0.076302	-0.124052
2,25	0,0657982	-0.114864
2,5	0,057736	-0,106568
2,75	0,0514475	-0.099154 ​​
3	0,0464669	-0,092553

Таблица 1: Результаты индуктивности из сценария Луа.

Регрессия параметров двигателя по результатам индуктивности

Регрессия параметров из результатов индуктивности может быть поставленной как линейная задача подбора параметров. Во-первых, можно рассмотреть мнимую часть индуктивности результаты:

Если мы определим:

мы можем переустроить, чтобы получить:

Это уравнение является линейным по параметрам c ₁ и с ₂ .На каждом ряду в таблице, & омега _с и L _и указаны, образуя в общей сложности 12 уравнений (потому что мы оценили результаты на 12 частотах) для двух неизвестных. Подход наименьших квадратов затем используется для выбора Значения коэффициентов, которые наилучшим образом удовлетворяют всем 12 уравнениям.

Для подгонки наименьших квадратов построите матрицу м и вектор б :

, где ω _{с, k} и L _{i, k} представляют k ^th точек данных для частоты скольжения и мнимой компонент индуктивности.Также обратите внимание, что частота скольжения должна быть переведена в радианы в секунду, чтобы выйдите правильно (, то есть умножьте частоту в Гц на 2π). Решаемая проблема может быть представлены матричными уравнениями:

Решение наименьших квадратов к этому переопределено проблема:

Обратите внимание, что поскольку матрица, подлежащая инверсии, является только 2 на 2 матрица, для решения этой проблемы не требуется «тяжелый подъем».

Например, результаты: c ₁ = 0,0522906 и с ₂ = 0,0271847. Из определений c ₁ и c ₂ тогда мы можем подразумевать, что:

М = 0,317148 Н

τ = 0,164878 сек

График подгонки мнимой части индуктивности показано на рисунке 4. Подгонка очень хорошо, подразумевая, что простая модель, которую мы приняли для индукции Машина в порядке для настоящих целей.

Рисунок 4: Подгонка воображаемой кривой индуктивности к конечной элемент «точки данных».

Индуктивность рассеяния можно определить с помощью аналогичного Метод с использованием действительной части индуктивности. Действительная часть индуктивности:

Однако теперь у нас есть значения τ и M как ω _с и L _r . Мы можем сделать то же самое сортировка методом наименьших квадратов для определения индуктивности рассеяния L _l .Однако на этот раз лучше всего подойдет л, _л, — это просто среднее значение л _л , которое подразумевается каждым данные указывают через:

В этом случае результат равен л _л = 0,0158 H.

В качестве альтернативы можно выполнить нелинейную оптимизацию для напрямую минимизирует ошибку во всех уравнениях одновременно. Если это сделано, получаются результаты, которые похожи на вышеупомянутый двухэтапный подход.

М = 0,316428 Н

<τ = 0,165258 с

L _l = 0,0162968 H

Оба подхода к регрессии параметров показаны в Блокнот Mathematica, fit.nb

Сравнение крутящего момента от тензора напряжения и модели цепи

Выше мы получили выражение для крутящего момента:

, где и — среднеквадратичное значение тока фазы. Если наша модель хороша, мы должны быть возможность сравнивать предсказания крутящего момента с «измерениями» крутящего момента на роторе вычисляется с помощью весового интегрального тензора блока.Чтобы сделать это сравнение, крутящий момент был оценивается через тензор напряжений для тока 1 А _рк при ряде разные частоты скольжения. Крутящий момент Затем был рассчитан с использованием параметров двигателя, полученных с помощью метода нелинейной подгонки.

Сравнение крутящего момента, предсказанного по цепи Модель и результаты тензора напряжений показаны ниже на рисунке 6. Согласие в этом случае очень хорошее.

Рисунок 6: Сравнение между тензором напряжений и цепью Модель силы прогнозов.

Определение рабочей точки

В предыдущем разделе мы определили некоторые параметры, которые может использоваться в уравнении цепи на рисунке 1. Однако нельзя просто сбросить числа, которые были идентифицируется из 2D модели конечных элементов в уравнение и ожидать их обеспечить хорошее соответствие экспериментальным измерениям реального двигателя. Несколько факторов в игре:

• Увеличение в сопротивлении ротора из-за повышения температуры .Как правило, резистивные потери будут нагревать ротор до температуры, которая значительно выше комнатной температура. Увеличение Удельное сопротивление алюминия составляет около 40% на каждые 100 ° С. Номинальная рабочая температура может быть, например, 80C, что означает увеличение сопротивления на 24%. Как правило, можно просто масштабировать сопротивление ротора, определенное из анализа методом конечных элементов с использованием помещения температурные свойства с удельным сопротивлением. Однако определение фактической рабочей температуры может подразумевать решение тепловой проблемы (которая связана с электрической конструкции проблема).Следует отметить, что это имеет потенциал быть сложным — для наших целей мы просто предположим, температура как разумная рабочая точка.
• Увеличение в сопротивлении ротора из-за концевых стержней . Электрические цепи на роторе должны быть завершены в стержнях и концы ротора. это часть пути электрической цепи может существенно увеличить сопротивление, особенно в машинах с коротким в осевом направлении. Если геометрия этих концевых стержней известна, обычно можно рассчитать ток, который должен быть перенесен в любой данный сечение конца баров.Из подразумеваемые потери, можно отрегулировать сопротивление ротора с учетом эта дополнительная длина в цепи пути.
• Flux утечка из ротора заканчивается. Концевые стержни также вызывают некоторые дополнительные утечка флюса с торцов машины. Это может быть довольно сложно рассчитать — иногда люди будут делать специализированный 2D анализ конечных элементов концов в попытке получить оценка этих потерь. это утечка проблематична, потому что она влияет на отношения между ток и сила, которые будут выведены из 2D конечного элемента анализ.Когда каждый переделывает проблема в виде схемы на рисунке 1 (в котором все утечка сосредоточена на стороне статора), утечка ротора делает взаимное индуктивность М представляется меньшей, а утечка статора л _л кажется, больше.
• Flux утечка с торцевых оборотов статора. Существует аналогичный эффект с концевыми витками обмоток статора. Некоторые дополнительные результаты утечки флюса от потока, который связывает конечные повороты через пути потока, которые не являются включены в 2D-модель.это утечка не влияет на отношения между током и силой, которые будет подразумеваться 2D-моделью конечных элементов. Тем не менее, эта утечка подразумевает, что больше напряжения будет требуется для получения заданного тока на заданной частоте.
• Core Потери . Значительное количество энергии рассеивается как потери в сердечнике из-за вихревых токов и гистерезиса в железе. Если бы мы были более полными, достойная модель этих потери могут быть включены путем размещения дополнительного резистора параллельно с взаимная индуктивность М для представления потерь на вихревые токи.Потери гистерезиса могут быть представлены через комплексный М . Гистерезисные потери затем относятся к сложной части М :

Правильный вихретоковый резистор и мнимая часть для М может быть определена расширенной версией Подход импеданса, который был представлен.

• Windage и потери на трение. Это механические потери, которые также проявляются как дополнительная мощность, которая должна в конечном итоге выйти из терминалов.

Часто один имеет указанное напряжение на клеммах, и один нравится определять механическую скорость, ток статора, КПД и т. д., что связаны с поддержкой определенного механического выхода. Чтобы получить реалистичную оценку этих количества, вышеупомянутые неидеальности должны быть приняты во внимание.

Рабочий лист Mathcad 7 для компоновки operatingpoint.mcd предназначен для того, чтобы показать, как можно некоторые из этих вопросов, чтобы определить и операционную точку, в сочетание с результатами, полученными из параметра конечного элемента идентификация.

Выводы

В общем, в проектирование и моделирование асинхронных машин. Этот настоящий документ только царапает поверхность моделирования асинхронного двигателя. Среди вопросов, которые были проигнорированы в текущем анализе являются:

• А конструктивная особенность, которая является общей в конструкции асинхронного двигателя, но не рассматривается в настоящий анализ является перекосом ротора. Причина этого перекоса заключается в том, что роторные стержни видят флюсовую связь это имеет менее гармоничное содержание.

• Гармоник Эффекты игнорируются в неподвижном анализе. Высшие гармоники могут создавать силы (и потери), которые не предвидится простой моделью, представленной здесь.

• «Глубокий барные роторы. Поправляться поведение пускового момента, многие асинхронные двигатели разработаны с сложные (, например, двухслойные) роторные стержневые топологии. Они не очень хорошо смоделированы схема, которая была представлена ​​здесь. Сеть дополнительных индукторов и резисторов на ветви ротора схемы требуется для моделирования этих стержней.Подобный подход подбора импедансов может быть использован для определить значения для импедансов в такой модели сети.

• Нелинейный материалы. Как правило, индукция Двигатели предназначены для работы почти до насыщения. Некоторые конструкции асинхронных двигателей имеют закрытые пазы ротора (для уменьшить гармоническое содержание потока в зазоре), который должен насыщать так, чтобы Поток утечки не чрезмерен.

Идентификация параметров модели индукции из конечных элементный анализ не был забыт в литературе.Хороший пример:

Д. Долинар и др., «Расчет двухосной индукции Параметры модели двигателя с использованием конечных элементов », IEEE Сделки по энергии Преобразование, 12 (2): 133-142, июнь 1997.

Полный текст этого документа доступен через Интернет по адресу:

https://web.archive.org/web/20130810051118/http://www.esat.kuleuven.be:80/electa/publications/fulltexts/pub_131.pdf

Бумага Dolinar также содержит отличную библиографию работа других авторов в области идентификации параметров модели из анализа методом конечных элементов.

для версии этого примера, сопоставленной с другим программным обеспечением.

Запуск асинхронного двигателя и расчет потерь

Запуск асинхронного двигателя

Основные цели при запуске асинхронного двигателя:

1. Для обработки пускового тока
2. Для достижения высокого пускового момента.

Как мы знаем, сопротивление ротора определяет пусковой момент. Обычно это сопротивление ротора мало, что дает небольшой пусковой момент, но хорошие условия работы. Таким образом, короткозамкнутый двигатель может работать только при низких пусковых нагрузках.

Расчет запуска и потерь асинхронного двигателя

Если сопротивление ротора каким-либо образом увеличено, то скольжение и скорость, при которых возникает максимальный крутящий момент, могут быть смещены. Для этой цели в цепь ротора может быть введено внешнее сопротивление, что происходит в случае двигателей с контактным кольцом или с намотанным ротором.

При подаче питания на неподвижный ротор излишний ток начнет течь .

Это происходит из-за того, что между обмоткой статора и обмоткой ротора действует трансформатор, а проводники ротора замкнуты накоротко.Это вызывает сильный ток, протекающий через ротор. Если для уменьшения этого сильного пускового тока приложенное пусковое напряжение уменьшается, то это также влияет на пусковой крутящий момент.

Методы запуска двигателя

Чтобы получить все, обычно используется следующий метод запуска:

1. DOL начиная с
2. Авто трансформатор пусковой
3. Звездно-дельта старт.

Расчет потерь

Ниже приведены потери в асинхронном двигателе:

1. Потери в сердечнике статора и ротора
2. Статор и ротор медные потери
3. Потеря трения и ветра.

Потери в сердечнике происходят из-за основного потока и потоков утечки. Поскольку напряжение предполагается постоянным, потери в сердечнике также могут быть аппроксимированы как постоянные. DC может измерить сопротивление статора. Гистерезис и потеря вихревых токов в проводниках увеличивают сопротивление, а эффективное сопротивление берется в 1,2 раза больше сопротивления постоянного тока.

Потери меди в роторе рассчитываются путем вычитания потерь в меди статора из общей измеренной потери или потерь в роторе I ² R.Потери на трение и обмотку можно считать постоянными, независимо от нагрузки.

• КПД = Выход ротора / вход статора
• Выход = Вход — потери

Пример с расчетами

Рассмотрим трехфазный шестиполюсный асинхронный двигатель 440 В, 50 Гц. Мотор потребляет 50 кВт при 960 об / мин для определенной нагрузки. Предположим, что потери в статоре составляют 1 кВт, а потери на трение и обмотку — 1,5 кВт.

Чтобы определить процентное скольжение, потери в меди ротора, мощность ротора и КПД двигателя, выполните следующую функцию:

Процентная квитанция //

Синхронная скорость двигателя = (50 × 120) / 6 = 6000/6 = 1000 об / мин
Скольжение = (Синхронная скорость — Фактическая скорость) = 1000 — 960 = 40 об / мин
% скольжение = [(40/1000) × 100] = 4% = 0.04

Роторная медная потеря //

Вход ротора = 50 1 = 49 кВт
Потеря меди ротора = Вход ротора × скольжение = 49 × 0,04 = 1,96 кВт

Выход ротора //

Выход ротора = Вход ротора — Потеря меди ротора — Потери на трение и ветрозащиту
= 49 — 1,96 + 1,5
= 49 — 3,46
= 45,54 кВт

КПД двигателя //

КПД двигателя = Выход ротора / Вход двигателя
= 45.54/50 = 0,9108
= 91,08%

Century Electric Отталкивающий пусковой асинхронный двигатель (ВИДЕО)

Ресурс: Практическое устранение неисправностей электрооборудования и цепей управления — Марк Браун, Джавахар Равтани и Динеш Патил (Получить от Amazon)

,