АД_теория (Теория к третей лабе)

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ1.1. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым роторомВнешний вид асинхронного двигателя показан на рис. 1 а, а его поперечный разрез в упрощенном виде на рис. 1 б.

Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статораи ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Воздушный зазор между ними составляет обычно 0,1...0,5 мм.Статор состоит из массивного стального или чугунного корпуса 1, внутри которого расположенсердечник (магнитопровод) 2 в виде полого цилиндра с равномерно расположенными на внутреннейповерхности пазами в осевом направлении. Для снижения потерь энергии от вихревых токов, возникающих в сердечнике при работе машины, его выполняют в виде пакета, набранного из тонких листовэлектротехнической стали толщиной (0,35 – 0,5) мм.

Листы с обеих сторон покрыты изоляционнойпленкой (окалиной или лаком).В пазах сердечника статора размещают трехфазную обмотку 3, выполненную из изолированногомедного (реже алюминиевого) провода.Концы обмотки статора присоединены к зажимам, расположенным в коробке выводов 7, укрепленной на корпусе двигателя. Обычно выводят все шесть концов трехфазной обмотки, так как это позволяет использовать двигатель при разных напряжениях сети, отличающихся в 3 раз (например, 380и 220 В). Более высокому напряжению сети в этом случае соответствует соединение обмоток звездой,более низкому – треугольником. К корпусу статора 1 крепятся два литых подшипниковых щита 4 сосквозными центральными отверстиями для подшипников 5, в которых вращается вал ротора 6.Рис.

1. Устройство асинхронного двигателя: 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4 – подшипниковый щит; 5 – подшипник; 6 – вал; 7 – коробка выводов; 8 – сердечник ротора; 9 – обмотка ротора; 10 – замыкающие кольца; 11 – вентиляционные лопатки.Ротор состоит из сердечника 8, обмотки 9 и вала 6. Сердечник ротора 8 представляет собойспрессованный из отдельных тонких листов электротехнической стали пакет, имеющий форму цилиндра с продольными пазами 9 по наружной поверхности и центральным отверстием для вала.2У двигателей с короткозамкнутым ротором обмотка представляет собой расположенные в пазахнеизолированные медные или алюминиевые стержни 9, торцы которых с обеих сторон соединены короткозамыкающими кольцами 10, выполненными обычно из того же материала, что и стержни.

Отдельно такая обмотка по внешнему виду напоминает беличью клетку (рис. 1 б).При включении в трехфазную сеть, синусоидально распределенная в пространстве магнитодвижущая сила (МДС) каждой фазы статора, неподвижна в пространстве и пульсирует во времени с частотой протекающего тока. Ее амплитуда ориентирована по оси соответствующей фазы. Однако питаниепространственно распределенных трехфазных обмоток трехфазной системой токов приводит к вращению результирующей синусоидально распределенной МДС относительно создающей его статорной обмотки в направлении, определяемом чередованием фаз. Эта МДС возбуждает магнитное поле Ф, вращающееся в пространстве с угловой скоростью 0 (см.

рис. 1 б), которая зависит от частоты напряжениясети f1 и числа пар полюсов p2f1(1)0 .pЧисло пар полюсов р является конструктивным параметром двигателя и определяется способомвыполнения обмотки. Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в ней возникает ток. В результате взаимодействия тока ротора свращающимся полем, на ротор действует электромагнитный момент, направление которого совпадает снаправлением вращения магнитного поля.При работе двигателя скорость вращения ротора  меньше, но обычно достаточно близка к скорости вращения поля 0 .

При  = 0 вращающееся магнитное поле не пересекает проводники обмоткиротора. Вследствие этого в ней не наводится ЭДС, не возникнет ток и не создается электромагнитныймомент. Однако реально даже при работе двигателя вхолостую (при отсутствии нагрузки на валу) значение  будет меньше 0 вследствие некоторого тормозного момента, создаваемого в двигателе трением.Для асинхронных машин вводится понятие скольжения (2)s 0.0Зная значения s и 0 , можно определить частоту вращения ротора:  0 (1  s) .(3)Из (3) видно, что при увеличении значения  от 0 до 0 скольжение s уменьшается от 1 до 0.Номинальные значения скольжения sн и скорости вращения ротора н зависят от мощности двигателей, и в среднем составляют около sн  0,08 и н  0,920 .Изменить направление вращения ротора можно путем изменения направления вращения магнитного поля Ф.

Дня этого необходимо поменять чередование подключения любых двух фаз статора к источнику питания, т. е. поменять местами любые два провода, которыми двигатель соединен с источникомнапряжения.1.2. Технические данные асинхронных двигателейВ справочной литературе для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обычно указаны следующие технические данные: номинальные напряжение U 1н , мощность P2 н , частота вращенияnн , ток обмотки статора I1н , КПД  н и коэффициент мощности cos н , перегрузочная способностьM к / M н   , кратность пускового момента M п / M н , кратность пускового тока I1п / I1н . При работе вноминальном режиме двигатель, как правило, имеет наилучшие удельные показатели (мощность на единицу массы или объема) и обеспечивает наиболее эффективное преобразование энергии.Номинальная мощность P2 н – это мощность двигателя, которую он развивает на валу при номинальной частоте вращения nн и номинальном моменте M н .

Под номинальным током I1н понимаютлинейный ток при работе двигателя с напряжением U 1н и мощностью P2 н . Если указаны два значенияноминального напряжения (например, 380/220 В), обычно заданы и два значения номинального тока (например, 5,1/8,7 А). Значение номинального фазного тока при различных напряжениях и соответствующихспособах соединения обмотки статора остается неизменным. Номинальные значения момента и тока яв-3ляются для асинхронного двигателя максимальными длительно допустимыми значениями, посколькупри этом двигатель нагревается до максимально допустимой температуры.При экспериментальных исследованиях измерения и количественные сопоставления удобнеепроводить, оперируя частотой вращения n в об/мин вместо угловой скорости  в сек-1.

Эти величинысвязаны соотношениемπnω.(4)30С учетом (1) и (4) частота вращения магнитного поля в об/мин60  f1n0 .(5)pИз соотношения (5) следует, что при подключении двигателя к трехфазному источнику напряжения со стандартным значением частоты f1  50 Гц , частота вращения магнитного поля двигателя n0имеет значения, представленные в табл. 1.Таблица 1p123456n0 , об/мин311765000500000500000Зная nн по таблице 1 можно определить n0 как ближайшее большее значение к nн и число парполюсов двигателя p.Значения nн ,  н и cos  н соответствуют работе двигателя с напряжением U 1н и мощностью P2н .Для номинального режимаM n(6)P2н  M н  н  н н .9,55Потребляемая двигателем из сети мощность P1н , выходная мощность P2н , а также величиныcos  н , U1н , I1н связаны соотношениямиP1н  3 U1н  I1н  cos  н ;(7)P н  2н .(8)P1нСоотношения (6) – (8) справедливы также и для любого режима работы двигателя, отличного отноминального режима.Значения M к / M н , M п / M н , I1п / I1н , указываемые в справочной литературе, определяют при номинальном напряжении U 1н двигателя.

Под пусковым током I1п понимают значение линейного тока приn  0.1.3. Энергетические показатели асинхронных двигателейАсинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Реактивная мощность расходуется на создание электромагнитного поля, а активная мощность за вычетом потерь преобразуется в механическую мощность и передается приводимому в движение механизму.Обмотка статора при подключении к сети потребляет из неѐ активную мощность P1 .

Часть этоймощности расходуется на нагрев обмотки статора при протекании по ней тока, а другая еѐ часть Pм1теряется из-за магнитных потерь в магнитопроводе статора. Оставшаяся часть P12 , называемая электромагнитной мощностью, передается через воздушный зазор в ротор. Электромагнитная мощность P12частично расходуется на потери в роторе и за вычетом механических потерь Pмех передается механизму. Основную долю потерь в роторе составляют потери в обмотке ротора Pэ2 . Из-за низкой частотыперемагничивания в обычных режимах работы магнитные потери в магнитопроводе ротора Pм2 значительно меньше остальных составляющих потерь мощности.Важнейшими энергетическими показателями асинхронных двигателей являются их КПД  и коэффициент мощности cos .

Чем больше значения  и cos , тем экономичнее двигатель, так как он по-4требляет из сети меньшие активную P1 и полную S1 мощности, а также меньший ток I1 при данноймощности на валу двигателя P2 .В общем виде зависимости  ( P2 ) и cos ( P2 ) могут быть определены как:PP2 ( P2 )  2 ;(9)P1 P2  Pм  Pэ  PмехP2  Pм  Pэ  PмехPP1(10)cos ( P2 )  1 .2222S1P Q( P  P  P  P )  Q112мэмех1Здесь Pм  Pм1  Pм2 – суммарные потери мощности в магнитопроводах статора и ротора имеханические потери Pмех (мало зависят от нагрузки); Pэ  Pэ1  Pэ2 – потери активной мощности вобмотках статора и ротора, зависящие от нагрузки на валу; Q1 – реактивная мощность (мало зависит отнагрузки).Из выражений (9) и (10) видно, что  ( P2 ) и cos ( P2 ) представляют собой достаточно сложныезависимости, поскольку при изменении мощности P2 весьма существенно изменяются потери Pэ .

Примерный вид зависимостей  ( P2 ) и cos ( P2 ) показан на рис. 2.1.4. Механическая и электромеханическая характеристики, регулирование частоты вращения двигателяПри анализе свойств асинхронных двигателей широко используют электромеханические n(I1) имеханические n(M) характеристики. Особое значение для практики имеют механические характеристики.При неизменной частоте вращения электромагнитный момент двигателя M уравновешивается моментомсопротивления M с , создаваемым на валу производственным механизмом, поэтому в этом режиме механические характеристики показывают, как изменяется частота вращения двигателя при изменении нагрузкина валу.Рис.

2. Зависимости КПД  и коэффициента мощности cos от мощности на валу P2Если к обмоткам двигателя подведено номинальное напряжение U1  U1н , изменяющееся с номинальной частотой f1  f1н , то двигатель имеет характеристики, называемые естественными характеристиками. На естественных характеристиках находятся точки, соответствующие номинальному режиму работы асинхронного двигателя.

Если же U1  U1н или f1  f1н , то характеристики, соответствующие этим условиям, называются искусственными. На этих характеристиках двигатель работает припуске, торможении, реверсе и регулировании частоты вращения.Естественные механическая и электромеханическая характеристики двигателя приведены нарис. 3. Как видно, эти зависимости нелинейны. Уравнения, описывающие эти характеристики, получают изанализа схем замещения асинхронного двигателя.Далее приведены без вывода некоторые промежуточные и конечные соотношения, позволяющие в самом общем виде проследить функциональные связи между параметрами и переменными, характеризующимиработу асинхронного двигателя.Фазный ток обмотки ротораE2E2к  sI2 ,(11)2222r2  x2r2  x2к  s 5где E 2к и E2  E2к  s – ЭДС фазы обмотки ротора при неподвижном роторе n  0, s  1 и прискольжении  s  1 , соответственно; r2 – активное сопротивление фазы обмотки ротора; x2к иx2  x2к  s – индуктивные сопротивления фазы обмотки ротора при неподвижном роторе n  0, s  1 искольжении  s  1 .Рис.