Л 3. Особенности характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Лекция 1. Классификация электроприводов.
Лекции
ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра физики и электротехники
по
электроприводу
Ярославль
2009
Электроприводы, используемые в различных технологических установках, разнообразны по своим функциональным возможностям, схемному и конструктивному исполнению, степени автоматизации, что связано с большим разнообразием рабочих машин.
Электроприводы классифицируются по отдельным признакам:
| Классификационные признаки электроприводов |
| Число рабочих Органов проводимых ЭП | Виду движения ЭД | Способу соединения двигателя с рабочим органом | регулируемости | Основному контролируемому параметру | Виду управления |
| индивидуальный | Вращательное | редукторный | Не регулируемый | Регулируемый по моменту | С ручным управлением |
| групповой | Линейное | безредукторный | регулируемый | Регулируемый по скорости | С полуавтоматическим |
| Многокоординатного движения | Конструктивно-интегрированный | Регулируемый по положению | Замкнутой системой автоматического регулирования скорости (САР). С ручным заданием или от системы управления технологическим процессом | ||
| С замкнутой САР положения (позиционирования) | |||||
| С Программным управлением | |||||
| Следящий |
Классификация по числу рабочих органов, приводимых движением электроприводом. Электроприводы бывают индивидуальными и групповыми. Если каждый рабочий орган машины приводится в действие своим электроприводом, то он называется индивидуальным – такой привод может быть одно или многодвигательным.
При групповом электроприводе один двигатель приводит в движение несколько рабочих органов. При этом усложняется кинематическая цепь рабочей машины и затрудняется управление рабочими органами, как для рационального управление рабочими органами необходимо применять специальные механические устройства – управление муфты, коробки передач, фрикционная.
По мере развития техники групповой электропривод всё больше вытесняется индивидуальными.
Классификация по виду движения электродвигателя. Наибольшее применение получили электроприводы вращательного движения. Сейчас значительное внимание уделяется линейным двигателям. В тех механизмах, где рабочий орган совершает поступательное или возвратно-поступательное движение, применение линейных двигателей конструктивно гораздо удобнее, чем использование специальных кинематических пар: винт-гайка, кривошипно-шатунный механизм. Из-за низких энергетических и массогабаритных показателей линейные электродвигатели не находили применения. Создание новых конструкций линейных двигателей с питанием от полупроводниковых преобразователей частоты достигли новых возможностей применения для металлорежущих станков.
Многокоординатные электроприводы на основе специальных шаговых электродвигателей являются отечественной разработкой и находят применение в высокоточных робототехнических установках, сборочных автоматах. Многокоординатные электроприводы позволяют осуществлять пространственные движения рабочего органа по нескольким координатам.
Классификация по способу соединения двигателя к рабочим органам. Электродвигатели соединяются с рабочим органом машины либо непосредственно, либо редуктором или другую кинематическую передачу.
Непосредственное соединение двигателя с рабочим органом характерно для высокоскоростных рабочих машин, например, насосов и вентиляторов. У тех машин, где скорость рабочего органа меньше номинальной скорости электродвигателя, применяют редукторы, которые снимают скорость и увеличивают момент на валу рабочего органа.
Для высокоточных механизмов и машин, работающих динамичных в динамичных режимах, стремятся исключать механические передачи между валом двигателя и рабочим органом.
Также электроприводы называют безредукторными. При этом возрастают, габаритны размеры и масса приводного двигателя, поскольку эти параметры при одной и той же мощности двигателя примерно обратно пропорциональны номинальной скорости двигателя. Для точных электропривода конструктивно объединяют в последние годы рабочим органом с приводным электродвигателем (электрошпиндель для шлифовальных станков, мотор-колеса для транспортных средств). Новые направления - мехатронные модули – электромеханических модулей, включающих в себя рабочий орган, электротехническое устройство (двигатель) с системой его регулирования микропроцессорная управляющее устройство (роботы и станки с ЧПУ)
Классификация по регулируемости. Под регулируемостью понимается возможность изменения или точного поддержания скорости ускорения или момента (усилия) приводного электродвигателя.
Исторически сложилось, что большинство существующих электроприводов выполнено на базе К3 асинхронных электродвигателей, недопускающих в стандартной схеме их питания регулирования скорости или момента. Модификацией односкоростных асинхронных электродвигателей является двух и трех скоростные двигатели. Электроприводы с многоскоростными двигателями дают возможность получать 2 или 3 одинаковые рабочие скорости, но не могут обеспечить плавного регулирования скорости в заданном диапазоне. К подобным по управляемости можно отнести электроприводы с реостатно-контакторным управлением.
Регулируемый электропривод выполняет следующие функции:
· Установка требуемой скорости в заданном диапазоне.
· Стабилизация установленного значения скорости с заданной точностью при возмущающих воздействиях (изменения нагрузки на валу).
· Регулирование момента, развиваемого двигателем в двигательном и тормозном режимах и ускорения (замедление) привода.
· Формирование требуемого характера изменения скорости во времени с заданной точностью.
Современная тенденция использовать регулируемый электропривод.
Классификация по основному контролируемому параметру
В зависимости от технических требований электропривод должен осуществлять регулирование по одной из главных контролируемых величин: моменту, скорости или положению рабочего органа машины. Это не означает, что при этом не регулируются другие величины; при регулировании положения необходимо регулировать скорость и т.д.
Регулирование момента как основной регулируемой величины характерным для тех производственных машин, где контролируется напряжение обрабатываемого материала: намоточных устройств, линий обработка ткани... наиболее часто основной контролируемой величиной является скорость.
Для механизмов главного движения станков, клетей прокатных станов, конвекторов, питателей, насосов и множество других машин в соответствии с технологическим процессом требуется регулирование скорости. Есть механизмы, для которых необходимо позиционирование рабочего органа или перемещение его по заданной траектории. Такие электроприводы управляются по положению. В зависимости от диапазона регулирования скорости различают следующие регулируемые электроприводы:
· с ограниченным диапазоном регулирования (не более 2:1)
· общего назначения с диапазоном регулирования (не выше 100:1)
· широко регулируемые (диапазон регулируемой скорости 1000:1)
· высокоточные электроприводы (диапазон регулирования 10000:1 и выше)
Классификация электроприводов по виду управления.
Электроприводы с системами управления различаются по их функциональным возможностям и сложности.
Наиболее простые системы с ручным управлением характерных для нерегулируемых электроприводов. Такие электроприводы имеют систему управления на основе релейно-контакторной аппаратуры, выполняющей функции пуска, останова, защиты и блокировки.
В электроприводах с полуавтоматическим управлением предполагается управление электроприводом оператором с помощью командоконтроллера, кнопок управления и других аппаратов. Система управления содержит элементы автоматического управления и регулирования, обеспечивающие автоматическое изменение параметров электропривода (переключение ступеней сопротивления пускового реостата в функции тока или времени) в соответствии с командами оператора (электропривод грузоподъемных кранов).
Для регулируемого электропривода используются замкнутые САР по току и скорости. В этом случае управление может осуществляться операторами (машинистами экскаваторов, прокатных станов) Задание на скорость может осуществляться системой технологической автоматики (бумагоделательные машины, дозаторы) Одной из разновидностей являются позиционные электроприводы, которые обеспечивают точные останов рабочего органа механизма в заданном положении. Системы управления такими приводами содержат замкнутый контур положения, действующий постоянно или при в ходе рабочего органа в зону точного останова.
Если задающее воздействие на параметры движения рабочего органа формируется программными средствами, то такие электроприводы называют электроприводами с числовым программным управлением (ЧПУ), приводы с ЧПУ содержат замкнутые контуры регулирования по скорости и положению.
Если положение рабочего органа должно изменяться в соответствии с заданием, характер которого заранее неизвестен, то функцией электропривода в этом случае является слежение и отработка этого задания с необходимой точностью. Такой электропривод называют следящим.
Электропривод является электротехнической системой, служащей для преобразования электрической энергии в механическую, которая необходима для осуществления различных технологических процессов в различных сферах деятельности человека.
Однако функция электропривода не ограничиваются только преобразованием энергии. Вторую функцию электропривода можно определить как управление движением исполнительных органов рабочей машины, причем оно может осуществляться в ручную с элементами автоматики или автоматически.
Сочетание двух функций электропривода – преобразование электроэнергии в механическую и управление переменными величинами, характеризующими механическую энергию (мощность, усилие, крутящий момент, скорость, ускорение, путь и угол перемещения) в целях рационального выполнения технологического процесса выполняемого рабочей машиной – определяет назначение и роль электропривода в машинном производстве.
Электросхема электропривода вентилятора
Назначение электропривода приводить в движение рабочие машины и управлять этим движением.
Л 2. Электромеханические свойства электродвигателей
2.1 Механические и электромеханические характеристики электродвигателей.
Момент двигателя зависит от скорости. Взаимосвязь момента, развиваемого двигателем, и скорости M=j(w) определяет механические характеристики электродвигателя. Механические характеристики изображаются в поле координат «М-w».
Обычно пользуются представлением механических характеристик в квадратах I и II.
Основным параметром, определяющим вид механической характеристики является жесткость ее, определяемая по формуле:
b= ≈
где - приращение момента,
- приращение скорости.
Если механическая характеристика прямолинейна (1), то ее жесткость – величина постоянная, равная тангенсу угла наклона характеристики к оси ординат:
1-механическая характеристика прямолинейна
2- криволинейная механическая характеристика
Если характеристика криволинейная (2), то жесткость определяется тангенсом угла наклона касательной к технической характеристике в данной точке (например, А).
Жесткость характеризует способность двигателя воспринимать приложение нагрузки (момента) на его валу.
Поскольку обычно с увеличением момента нагрузки скорость уменьшается, то жесткость является величиной отрицательной.
Если при положении нагрузки скорость уменьшается незначительно, то механическая характеристика считается жесткой.
Если при том же значении прикладываемой нагрузки скорость изменяется значительно, то такую характеристику называют мягкой.
Естественные механические характеристики двигателей
Искусственные (или регулировочные) механические характеристики получаются, когда в целях регулирования изменяются параметры питающего напряжения или в цепи обмоток вводятся дополнительные элементы (активное или индуктивные сопротивления, полупроводниковые приборы.
Пользуясь выражением для момента асинхронного двигателя
(1)
Где U1 –напряжение статора
S – относительное скольжение
S = где w0 -скорость поля статора
- скорость поля ротора
r2¢=r2*kT2 – приведенное сопротивление цепи ротора к обмотке статора с учетом коэффициента трансформации
kT = U1 /E2H
где E2H –номинальная фазная ЭДС ротора
E2H =V1/KT
Xk – индуктивное сопротивление короткого замыкания
Xk = X1+X¢2H
X¢2H индуктивное сопротивление обмотки ротора при S=1, а X¢2H =X2*K2T индуктивное сопротивление обмотки ротора приводимое к обмотке статора
X2s=1 = X2H
r1 – активное сопротивление обмотки статора
Строим механическую характеристику асинхронного двигателя S=f(M)
Механическая (1) и электромеханическая (2) характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором, замкнутым накоротко.
Электромеханическая характеристика w=f(I1 ) определяется из векторной диаграммы асинхронного двигателя (упрощенный)
Пологая ток намагничивания реактивным, получим
=
Где =
Полагая dm/ds = 0 найдем максимальный крутящий момент асинхронного двигателя
Mk= (2)
И соответствующее ему критическое скольжение Sk
(3) Sk =± r2 / +к двигательному режиму: - к генераторному режиму
Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью асинхронного двигателя λ=Мк/Мн (4)
С учетом (2) и (4) формула (1) может быть преобразована к более удобному для пользования выражению – формуле Клосса M=2Mk(1+aSk)/(Sk/S+S/Sk+2aSk) (5)
где a=r1/r¢2
2.2 Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором
Для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором нужно принять меры для увеличения пускового момента и снижения пусковых токов. С этой целью цепь ротора включают добавочное активное сопротивление. Как следует из формул (2) и (3) введение добавочного активного сопротивления не изменяет максимального момента двигателя, а лишь изменяет критическое скольжение
Sk=(r¢2+R¢2д)/Xk ,где R¢2д –приведенная к статору добавочное сопротивление в цепи ротора.
Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи в результате уменьшается пусковой ток и увеличивается cosj2 роторной цепи, в следствии, этого увеличивается активная сопротивляющая тока ротора и пусковой момент двигателя.
Обычно в роторную цепь с фазным ротором вводят секционированный резистор, ступени которого перемыкают пусковыми контакторами
Электросхема электропривода вентилятора
При пуске двигателя сначала вводят полное добавочное сопротивление R1доб. По достижению скорости, при которой момент двигателя М1 становиться близким к моменту сопротивления Mc часть пускового резистора шунтируют контактором КМ1 и двигатель переходит на характеристику, соответствующую добавочному сопротивлению R2доб. По мере дальнейшего разгон двигателя контактором КМ2 закорачивается вторая ступень пускового резистора. После замыкания контактов контактора КМ3 двигатель переходит на естественную характеристику и будет работать со скоростью соответствующей т.1
Добавочные сопротивления легко определить графически. Проведем линию номинального момента двигателя и отметим точки пересечения этой линии с механическими характеристиками. Отрезки, заключенные между точками будут пропорциональны сопротивлениям ступеней.
Полное сопротивление добавочного резистора
Rдоб=R2н (бg/ae)
Сопротивление первой ступени резисторов
RIдоб - R2доб = R2H (2g/ae)
Сопротивление второй ступени резистора
R2доб – R3доб = R2н(Вg/2e)
Сопротивление третьей ступени резистора
R3доб = R2н ( бв/ае)
Отрезок аб пропорционален сопротивлению обмотки фазы ротора p2= R2H (аб/ас)
R2Н – номинальное сопротивление ротора
R2н = Е2Н лин/ I2н
где Е2Н лин - линейная ЭДС ротора при S=1
I2н – номинальный ток ротора
Формирование пусковых характеристик двигателей с фазным ротором проводится путём введения в цепь ротора дополнительного активного сопротивления и уменьшения его по мере разгона двигателя (уменьшения скольжения).
В короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность проводника. Сущность этого явления состоит в следующем. Согласно закону электромагнитной индукции при протекании по проводнику переменного тока в нём индуцируется ЭДС самоиндукции, направленная навстречу току
= - = - L = - L 10
Где L – индуктивность проводника
- амплитудное значение тока
Значение этой ЭДС зависит от значения тока , его частоты и индуктивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если проводник находится на воздухе, то магнитная проницаемость среды будет очень мала, следовательно, мала индуктивность L. В этом случае изменение частоты 50Гц( влияние ЭДС самоиндукции незначительно. Если проводник помещён в тело магнитопровода, индуктивность многократно увеличивается и ЭДС самоиндукции, направленная навстречу тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.
Рассмотрим проявление действия ЭДС самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещённого в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис.).
Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединим параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня, образует поток , магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает ЭДС самоиндукции , большого значения, направленная навстречу току .
Ток , протекающий по верхней части стержня роторной обмотки, образует потом , но т.к. силовые линии этого потока в значительной части своей длины замыкаются по воздуху, то поток будет гораздо меньше потока . Следовательно, ЭДС будет во много раз меньше, чем .
Указанное распределение ЭДС самоиндукции по высоте стрежня характерно для того режима, при котором частота тока ротора близка к 50Гц. В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (рис.), то ток ротора пойдёт по верхней части стержня.
Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идёт ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора . Поскольку ЭДС самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивление и являются функциями скольжения.
При пуске, когда скольжение велико(S=1), сопротивление увеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочный резистор). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, появляется сначала ток , затем , т.е. ток начинает распространятся вниз по сечению проводника, сопротивление уменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока настолько мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему сечению проводника и сопротивление минимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивления асинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет 5.0-6.0 номинального, а пусковой момент 1.1-1.3 номинального.
Варьировать параметры пусковой характеристики асинхронного двигателя при конструировании можно, меняя форму паза, а также сопротивление материала стержней (состав сплава).
Наряду с глубокими пазами применяют двойные пазы, образующие двойную “беличью клетку”, пазы грушевидной формы
На рисунке представлены примерные механические характеристики для серий асинхронных короткозамкнутых двигателей.
1 - нормального исполнения
2 - с повышенным пусковым моментом
3 - с повышенным скольжением
4 - краново-металлургических серий
Короткозамкнутый двигатель нормального исполнения используют для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерны высокий КПД и минимальное номинальное скольжение. Механическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно небольшой провал, характеризуемый минимальным моментом .
Двигатели с повышенным скольжением имеют более “мягкую” механическую характеристику и используются, когда два или более двигателей работают на общий вал (для кривошипно-шатунных механизмов) с циклически изменяющейся нагрузкой, когда для преодоления сопротивления движению целесообразно использовать кинетическую энергию, запасаемую в движущихся частях электропривода для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме.
Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для механизмов с тяжёлыми условиями пуска (скребковые конвейеры). Двигатели краново-металлургических серий предназначены для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой момент, чем у двигателей нормального исполнения.
Приближённо механическую характеристику короткозамкнутого двигателя можно построить по четырём точкам: при холостом ходе (S=0), при максимальном ( ), пусковом ( ) и минимальном ( ) моментах. Данные этих характерных точек приводятся в каталогах и справочниках для асинхронных двигателей. Расчёт рабочей части технической характеристики (S=0 до Sk) можно проводить по формуле (5) или если пренебречь r1 (для двигателей мощности более 15кВт)