Асинхронный двигатель: режимы работы, способы управления
Асинхронный двигатель – это электрический двигатель переменного тока, у которого частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.
К достоинствам асинхронных двигателей относятся:
- Возможность включения в сеть без преобразователей.
- Простота изготовления.
- Относительно низкие эксплуатационные затраты.
- Относительно низкая стоимость.
- Высокая степень надежности.
Достоинства асинхронного двигателя обусловлены отсутствием механических коммутаторов в цепи ротора. К недостаткам асинхронных двигателей относятся:
- Низкий коэффициент мощности.
- Небольшой пусковой момент.
- Зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети.
- Отсутствие возможности регулирования скорости при подключении к сети.
Асинхронный двигатель может управляться несколькими способами.
Реостатный способ управления подразумевает изменение частоты вращения асинхронного двигателя посредством изменения сопротивления реостата в цепи ротора, что также способствует увеличению критического скольжения и пускового момента.
Частотный способ управления заключается в изменении частоты вращения двигателя при помощи изменения частоты электрического тока в сети питания. Для осуществления частотного способа управления используется частотный преобразователь.
Управление работой асинхронного двигателя также может осуществляться путем переключения обмоток с одной схемы на другую (звезда - треугольник). К самым распространенным способам относятся импульсный и амплитудно-частотный способы, а также изменение числа пар полюсов и фазовое управление.
Существуют четыре основных режима работы асинхронного двигателя:
- режим холостого хода,
- режим противовключения,
- генераторный режим,
- двигательный режим.
Двигательный режим работы характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от точки пуска до точки, являющейся идеальной точкой идеального холостого хода. Для того, чтобы асинхронный двигатель функционировал в режиме генератора необходим источник реактивной мощности, для создания магнитного поля. В генераторном режиме значения скольжения меньше нуля. Режим холостого хода электрического двигателя возникает в том случае, если на валу отсутствует нагрузка в виде рабочего органа и редуктора. Если изменяется направление вращения магнитного поля или ротора таким образом, чтобы они вращались в противоположных направлениях, электродвижущая сила, а также активная составляющая тока в обмотке ротора те же, как и двигательном режиме. Но в режиме противовключения электромагнитный момент будет направлен к моменту нагрузки, что делает его тормозящим.
Редуктор – это механизм, чья основная задача заключается в уменьшении усилия, которое необходимо для привода устройства.
Асинхронные двигатели активно используются в водоснабжении, теплоснабжении, компрессорных установках и системах вентиляции и кондиционирования. Так как они обладают плавной регулировкой скоростей, то при их применении часто можно отказаться от использования редукторов, дросселей, вариаторов, что способствует уменьшению эксплуатационных затрат.
Методика расчета параметров асинхронного двигателя
До расчета основных характеристики и параметров асинхронного двигателя выбираются его основные размеры, к которым относятся количество пар полюсов, внутренний диаметр двигателя, длина сердечника, внешний и внутренний диаметр статора, а также высота оси вращения.
При расчете параметров асинхронного двигателя сначала определяется величина механических потерь, значение которой, в зависимости от модели двигателя, находится в диапазоне, определяемом следующим образом:
$Рпотерь = (0,01 ... 0,05) * Рн$
где, Рн - номинальная мощность двигателя.
Номинальное значение тока статора асинхронного двигателя рассчитывается по следующей формуле:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где: Uн - номинальное линейное напряжение двигателя; cosфн - коэффициент мощности в номинальном режиме работы; КПДн - коэффициент полезного действия в номинальном режиме.
Следующим параметром, который необходимо рассчитать, является сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где: R’1 - активное сопротивление обмотки статора в номинальном режиме работы двигателя.
Далее определяется активное приведенное сопротивление обмотки ротора асинхронного двигателя для установившегося номинального режима работы и для режима прямого пуска. Для установившегося номинального режима формула выглядит следующим образом:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где: R’’2 - приведенное к обмотке статора активное сопротивление обмотки ротора в номинальном режиме.
Для режима прямого пуская формула выглядит следующим образом:
Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: R’’2n - активное сопротивление обмотки ротора при коротком замыкании приведенное к обмотке статора.
Затем рассчитываются индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора асинхронного двигателя. Для установившегося номинального режима формула имеет следующий вид:
Рисунок 5. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Где: X’1 - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в номинальном режиме; X’’2 - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, которое приведено к обмотке статора; п = 3,14; fn - частота сети.
Для режима прямого хода используется следующая формула:
Рисунок 6. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: Хкп - индуктивное сопротивление короткого замыкания.
Далее рассчитывается индуктивность цепи намагничивания асинхронного двигателя в номинальном режиме:
Рисунок 7. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: Xu - главное индуктивное сопротивление
Индуктивность цепи намагничивания для пускового режима асинхронного двигателя необходимо уменьшить на 30-40 %
Коэффициент вязкого трения рассчитывается по следующей формуле:
$F = Pпотерь / (2п * (nн / 60)$
где: nн - номинальная частота вращения.
Номинальная частота вращения асинхронного двигателя рассчитывается по следующей формуле:
$nн = no * (1 – Sn)$
где: no - синхронная частота вращения; Sn - номинальное скольжение
Расчет асинхронного двигателя является важной составляющей процесса проектирования не только самого двигателя, но и промышленного объекта. Данный двигатель является важным элементом многих производственных и технологических процессов, от качества протекания которых во многом зависит качество готовой продукции.
