Физические явления и процессы в элементах конструкции

При работе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в элементах его конструкции наблюдаются следующие физические явления и
процессы.

В обмотке статора:

– явление электрического тока;

– явление электромагнетизма;

– явление электромагнитной индукции;

– явление теплового действия тока;

– процесс нагрева обмотки.

В обмотке ротора:

– явление электромагнитной индукции;

– явление электрического тока;

– явление электромагнитной силы;

– явление электромагнетизма;

– явление теплового действия тока;

– процесс нагрева обмотки.

В магнитопроводе:

– явление электромагнитной индукции;

– явление вихревых токов;

– явление теплового действия вихревых токов;

– явление гистерезиса;

– явление теплового действия гистерезиса;

– процесс нагрева магнитопровода.

В механической системе:

– явление трения в подшипниках;

– явление трения ротора о воздух.

– процесс нагрева механической системы.

Помимо этого происходит обмен тепловой энергией между элементами
конструкции электродвигателя и окружающей средой.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются в обмотке
статора трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

2. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются в обмотке ротора
трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

3. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются в магнитопроводе трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

4. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются в механической системе трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

 

Энергетическая диаграмма

 

При работе асинхронный электродвигатель потребляет из сети электрическую энергию, а отдаёт рабочей машине механическую энергию. При протекании этого процесса (преобразования электрической энергии в механическую энергию) происходят потери энергии в виде тепла в элементах конструкции электродвигателя (как показано выше): потери в обмотках, потери в магнитопроводе, потери в механической системе, добавочные потери. Рассмотрим данный процесс преобразования энергии на энергетической диаграмме асинхронного электродвигателя (рис.7.2).

 

 

 

На энергетической диаграмме (рис.7.2) обозначено:

Р₁ – электрическая мощность, потребляемая электродвигателем, Вт;

DР_эл.1 – электрические потери в обмотке статора
(в результате теплового действия протекающего в ней тока), Вт;

DР_мг – потери в магнитопроводе электродвигателя

(в результате теплового действия вихревых токов и гистерезиса), Вт;

DР_эл.2 – электрические потери в обмотке ротора
(в результате теплового действия протекающего в ней тока), Вт;

DР_мх – механические потери
(в результате трения в подшипниках и ротора о воздух), Вт;

DР_д – добавочные потери
(в результате других не учтённых явлений), Вт.

Р₂ – механическая мощность,
отдаваемая электродвигателем рабочей машине (мощность на валу), Вт.

Сумма потерь активной мощности в асинхронном электродвигателе
равна:

DР_S = Р₁ – Р₂ = DР_эл.1 + DР_мг + DР_эл.2 + DР_мх + DР_д = DР_const + DР_var; (7.5)

DР_const = DР_мг + DР_мх; (7.6)

DР_var = DР_эл.1 + DР_эл.2 + DР_д, (7.7)

где DР_const – постоянные потери в электродвигателе, которые

прямо пропорциональны квадрату напряжения (U²),

подводимого к обмоткам статора, Вт;

DР_var – переменные потери в электродвигателе, которые

прямо пропорциональны квадрату силы тока (I²) в обмотках, Вт.

Коэффициент полезного действия асинхронного электродвигателя с
короткозамкнутым ротором равен:

. (7.8)

Коэффициент мощности асинхронного электродвигателя равен:

, (7.9)

где Р₁ – активная мощность,

потребляемая асинхронным электродвигателем из сети, Вт;

S₁ – полная мощность,

потребляемая асинхронным электродвигателем из сети, В× А.

Пример 7.3

Асинхронный электродвигатель, номинальная мощность которого равна 3 кВт, имеет номинальный к.п.д. равный 0, 91.

Определить суммарные потери мощности в электродвигателе.

Решение.

1. Определяем активную мощность, потребляемую электродвигателем, из (7.8):

.

2. Определяем суммарные потери мощности в электродвигателе по (7.5):

DР_S = Р₁ – Р₂ = 3296, 7 – 3000 = 296, 7 Вт.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Составьте энергетическую диаграмму трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, расшифруйте буквенные обозначения.

2. Что такое постоянные потери мощности
в трёхфазном асинхронном электродвигателе?

3. Что такое переменные потери мощности
в трёхфазном асинхронном электродвигателе?

4. Запишите и расшифруйте выражения потерь мощности в обмотках
трёхфазного асинхронного электродвигателя.

5. Как определить коэффициент полезного действия
трёхфазного асинхронного электродвигателя?

6. Как определить коэффициент мощности
трёхфазного асинхронного электродвигателя?

7. Как влияют потери мощности в элементах конструкции
асинхронного электродвигателя на его работу?

Подключение, пуск, регулирование скорости вращения,
реверсирование и торможение

 

Подключение трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором к питающей сети осуществляется тремя проводами, которые
подключают к началам обмоток статора. Обмотки статора асинхронного электродвигателя соединяют по схеме звезды (С4, С5, С6 объединяют в общий узел) или по схеме треугольника (С4 с С2, С5 с С3, С6 с С1).

Момент, развиваемый на валу электродвигателя, зависит от магнитного
потока, силы тока в обмотке ротора и коэффициента мощности обмотки ротора:

М = kФI₂ cosy₂, (7.10)

где М – вращающий момент, Н× м;

Ф – действующее значение магнитного потока, Вб;

I₂ – действующее значение силы тока в обмотке ротора, А;

y₂ – угол сдвига фаз э.д.с. и тока ротора, рад.

В результате того, что магнитный моток пропорционален приложенному
напряжению, то можно доказать, что момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату приложенного напряжения, то есть

М º U², (7.11)

где U – действующее значение приложенного напряжения, В.

Следовательно, при пониженном напряжении на зажимах обмоток статора
электродвигателя момент на валу будет равен:

, (7.12)

где М’ – момент на валу электродвигателя при пониженном напряжении, Н× м;

М_н – момент на валу электродвигателя при номинальном напряжении, Н× м;

U’ – пониженное напряжение на зажимах обмоток статора, В;

U_н – номинальное напряжение на зажимах обмоток статора, В.

В начальный момент пуска ротор электродвигателя неподвижен и
относительное скольжение равно единице, поэтому сила тока в обмотках электродвигателя при пуске больше номинального значения в 5 – 7 раз.
Пуск асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором осуществляют при номинальном напряжении (прямой пуск) и при пониженном напряжении:

1. Прямой пуск электродвигателя производится непосредственным его включением в сеть без каких-либо устройств понижения напряжения. Применяется в тех случаях, когда номинальная мощность двигателя намного меньше электрической мощности силового трансформатора. При таком способе пуска ток, потребляемый электродвигателем при пуске, не вызовет из-за скоротечности значительного перегрева двигателя и падения напряжения сети (то есть не нарушит работу других устройств, включённых в сеть).

2. Пуск при пониженном напряжении производится с помощью устройств,
понижающих напряжение на зажимах электродвигателя (автотрансформатора, индукционного регулятора и других), а также с помощью переключения обмоток статора электродвигателя со звезды на треугольник (то есть в начальный момент пуска обмотки статора соединены по схеме звезды, а после кратковременного процесса пуска переключаются на схему треугольника).

Запишем уравнение скорости вращения ротора электродвигателя:

. (7.13)

Из выражения (7.13) следует, что регулировать частоту вращения
асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором можно следующими способами:

1. Изменением частоты тока в обмотке статора электродвигателя (f). Для этого используют регулятор частоты, позволяющий производить плавную регулировку скорости в широких пределах.

2. Изменением числа пар полюсов электродвигателя (р). Для этого
применяют двигатели со специальной обмоткой статора, которая позволяет
производить ступенчатую регулировку скорости (1: 2: 3: 4). Электродвигатель
в этом случае имеет большие габариты и стоимость, а также специальное
переключающее устройство. Наиболее простым из таких электродвигателей
является тот, который позволяет регулировать скорость в соотношении 1: 2.

3. Изменением скольжения (s). Для этого изменяют подводимое к обмоткам статора напряжение с помощью регулятора напряжения.

Для изменения направления вращения ротора ( реверсирования ) асинхронного электродвигателя надо поменять местами два любых провода из трёх, которыми к обмоткам статора подводится напряжение.

Существуют следующие основные способы торможения асинхронного
электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

1. Самоторможение состоит в отключении электродвигателя от питающей сети, в результате чего происходит его естественное торможение по мере прекращения действия инерционных сил.

2. Торможение противовключением состоит в реверсировании электродвигателя и его отключении от питающей сети при остановке ротора.

3. Динамическое торможение состоит в отключении электродвигателя от
питающей сети и последующей подаче на обмотки статора постоянного
напряжения.

Вопросы для самоконтроля

1. Изобразите схематически клемную коробку электродвигателя и покажите на ней как соединить обмотки статора трёхфазного асинхронного
электродвигателя по схеме звезды и по схеме треугольника,
а также подключение электродвигателя к сети.

2. Как определить момент на валу трёхфазного асинхронного электродвигателя
по заданным мощности на валу и угловой скорости вращения вала?

3. Как изменяется момент на валу трёхфазного асинхронного электродвигателя
при отклонении напряжения на зажимах электродвигателя?

4. Как изменяется момент на валу трёхфазного асинхронного электродвигателя
при переключении обмоток статора со схемы звезды на схему треугольника?

5. Запишите и расшифруйте уравнение скорости вращения ротора
трёхфазного асинхронного электродвигателя.

6. Запишите и расшифруйте уравнение угловой скорости
трёхфазного асинхронного электродвигателя.

7. Перечислите и поясните способы регулирования скорости вращения
трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

8. Как изменить направление вращения
трёхфазного асинхронного электродвигателя?

9. Перечислите и поясните способы торможения
трёхфазного асинхронного электродвигателя.

 

Технические параметры

Трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, выпускаемые для производственных целей, предназначены для работы в заданных
условиях с определёнными параметрами, которые называют номинальными.
К номинальным параметрам этих электродвигателей, которые указываются
на заводской табличке, укреплённой на корпусе электродвигателя, относятся:

– механическая мощность электродвигателя, кВт;

– частота питающей сети, Гц;

– действующее значение линейного напряжения обмоток статора, В;

– схемы соединения обмоток статора;

– действующее значение линейного тока обмоток статора, А;

– скорость вращения вала электродвигателя, об/мин;

– коэффициент мощности электродвигателя;

– коэффициент полезного действия электродвигателя.

Помимо этого указываются тип электродвигателя, его масса, класс изоляции обмоток статора (изоляция класса В характеризуется тем, что может длительно работать при температуре 130°С, изоляция класса F – при температуре 155°С).

В настоящее время выпускаются асинхронные электродвигатели
от 0, 06 кВт до 400 кВт при частотах вращения 500 – 3000 об/мин в виде единых
серий 4А, 4АМ, АИ и другие. Помимо основного исполнения каждая серия имеет ряд электрических модификаций, которые имеют особенности конструкции (например, двойную обмотку на роторе, глубокие пазы в магнитопроводе ротора и так далее):

– с повышенным пусковым моментом
(для привода рабочих машин с большой нагрузкой в момент пуска:
компрессоры, дробилки и др.);

– с повышенным скольжением
(для привода рабочих машин с большим моментом инерции,
с большой частотой пусков и реверсов);

– с повышенными энергетическими показателями
(для привода рабочих машин с круглосуточной работой);

– многоскоростные;

– малошумные;

– встраиваемые.

Вопрос для самоконтроля

1. Перечислите номинальные параметры трёхфазного асинхронного электродвигателя.

Механическая характеристика

Механическая характеристика электродвигателя с короткозамкнутым
ротором представляет собой зависимость угловой скорости вращения ротора
электродвигателя от момента на его валу w = f(М)(рис.7.3).

 

Двигательному режиму соответствует участок механической характеристики от w = w₀ до w = 0 (пуск электродвигателя начинается в точке w = 0), генераторному режиму – участок от w > w₀, тормозному режиму – участок от w < 0.

Механическая характеристика рабочей машины представляет собой
зависимость момента сопротивления рабочей машины от угловой скорости
вращения вала М_с = f(w):

, (7.14)

где М_с – момент сопротивления рабочей машины, Н× м;

М₀ – момент трогания рабочей машины, Н× м;

М_с.н – номинальный момент сопротивления рабочей машины, Н× м;

w_с – угловая скорость рабочей машины, рад/с;

w_с.н – номинальная угловая скорость рабочей машины, рад/с;

х – показатель, характеризующий рабочую машину.

Графически механические характеристики рабочих машин показаны на рис.7.4.

Механические характеристики рабочих машин подразделяются следующим образом:

1. Не зависящая от скорости (х = 0), то есть момент сопротивления не изменяется при изменении скорости (транспортёры, подъёмные краны и др.).

2. Линейно-возрастающая (х = 1).

3. Параболическая (х = 2), то есть момент сопротивления зависит от квадрата скорости
(центробежные насосы, вентиляторы и другие).

Если на одной плоскости нанести механические характеристики асинхронного электродвигателя и рабочей машины, то точка пресечения этих характеристик будет рабочей точкой (точкой, в которой будет работать система «электродвигатель – рабочая машина»).

На рис.7.5 в качестве примера показаны механическая характеристика асинхронного электродвигателя и параболическая механическая характеристика рабочей машины.

 

 

Пример 7.4

Асинхронный электродвигатель приводит во вращение рабочую машину с параболической механической характеристикой. Момент трогания рабочей машины равен
10 Н× м, номинальный момент сопротивления рабочей машины равен 50 Н× м,

Определить момент сопротивления рабочей машины при снижении угловой скорости рабочей машины на 10 % относительно номинального значения.

Решение.

1. Определяем момент сопротивления рабочей машины по (7.14):

.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимается под механической характеристикой
трёхфазного асинхронного электродвигателя?

2. Изобразите качественно механическую характеристику
трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и
покажите на ней участки, которые соответствуют двигательному,
генераторному и тормозному режимам.

3. Запишите и расшифруйте уравнение механической характеристики
рабочей машины.

4. Изобразите качественно механические характеристики рабочей машины.

5. Изобразите качественно на одной плоскости механическую характеристику
трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором
и механическую характеристику рабочей машины. Покажите рабочую точку.

6. Что такое рабочая точка механической характеристики?

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Агрофизические факторы плодородия почвы
2. Антимонопольное законодательство. Причины его появления.
3. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
4. Антропогенные процессы в литосфере
5. Архитектура и строительные конструкции
6. Ассоциативный метод выявления уровней речевого развития дошкольника
7. Б. Проявления категории договора
8. Бизнес процессы с помощью Aris
9. Билет 1. Философское знание и социальная практика: особенности проявления в журналистике.
10. Билет № 24 (1) Процессы прядения и виды получаемой пряжи
11. Биологические процессы в океане и их взаимодействие с гидрологическими условиями
12. Биоэлектрические явления в живых организмах. Законы раздражения.