Что такое скольжение в асинхронном двигателе

Особенности скольжения асинхронного двигателя: описание и определение, как измеряется

Одним из главных параметров асинхронного электродвигателя является скольжение. Это переменная величина. Меняться может, исходя из того, в каких режимах работает мотор, величины напряжения, валовой нагрузки.

В статье мы рассмотрим, что собой представляет это явление, как вычисляется, от каких условий зависит.

Что это такое

Принцип действия 3-х фазного электродвигателя (асинхронного) достаточно простой. К статорной обмотке подаётся питание. В результате образуется магнитный поток, смещённый на сто двадцать градусов в фазах. Общий поток, при этом, будет вращаться.

Обмотка представляет собой замкнутый контур, в котором возникает электродвижущая сила. Магнитный поток вращает ротор по направлению статорного потока. Крутящийся электромагнит стремится выровнять вращающие скорости статорного и роторного полей.

Значение, показывающее разницу быстроты вращения статорного и роторного полей и есть скольжение. Поскольку в асинхронном электродвигателе ротор всегда крутится медленней статора, значение, обычно, не превышает единицы. Измеряется в процентах либо единицах.

Вычисляется по следующей формуле:

Здесь n1 – скорость статора, n2 – скорость ротора.

Скольжение – один из основных параметров, отображающий корректность функционирования асинхронного электродвигателя.

Параметры в различных рабочих режимах

Когда электродвигатель обесточен, вращение не происходит, потому что статорное поле не пересекается с роторным полем. В этом случае величина равна двум или трём процентам, т.е. колеблется около нуля.

Если даже параметр холостого хода идеален, процентное значение нулю равняться не будет. Величина может быть и отрицательной, если двигатель функционирует в режиме генератора. В таком режиме (ротор вращается против статора) значение S будет меньше нуля.

При электромагнитном торможении, величина Sпревышает единицу с положительным знаком. Величина токовой частоты в роторных обмотках равняется токовой частоте сети исключительно при пусковом моменте.

Роторная токовая частота пропорциональна сопротивлению индукции, поэтому роторный ток зависим от скольжения асинхронного двигателя.

Момент вращения АД находится в зависимости от значения S, поскольку определяется величинами токового и магнитного потоков, угловым смещением ЭДС и роторным током.

Для подробного изучения параметров электродвигателя определяется зависимость, показанная на графике вверху.

При разных показателях асинхронном двигателе момент вращения можно корректировать при помощи сопротивления, включённого в цепи роторных обмоток.

Если ротор замкнут «накоротко», вращающий момент изменяется либо частотными преобразователями, либо применением двигателей с изменяющимися параметрами.

При нагрузочном номинале двигателя показатель скольжения находится между двумя и восемью процентами. При добавлении нагрузки скольжение ускоряется, потому что роторное поле начнёт больше отставать от статорного поля.

Ускорение неминуемо приведёт к росту роторного тока и момента вращения. Параллельно с этим возрастает сопротивление, что связано с активными роторными потерями, токовые показатели снижаются, в связи с чем, вращение растёт гораздо медленней скольжения.

При определённой скорости скольжения момент вращения достигнет максимума и начнёт замедляться. Максимальное значение является критическим и обозначается Sкр.

В технической документации указываются параметры асинхронного двигателя. По ним строится график, отвечающий на вопросы, связанные с работой асинхронного электрического двигателя, применяемого в качестве привода.

Критический максимум задаёт параметр мгновенного допустимого перегруза двигателя. Когда этот параметр превышается, происходит остановка двигателя (опрокидывание). Это аварийный режим.

Методы измерений

Есть несколько методов произвести замер скорости скольжения двигателя. Когда скорость существенно разнится с синхронным вращением, её определяют тахометром либо тахогенератором, подключённым к валу асинхронного двигателя.

Метод определения стробоскопом с лампой неонового свет применим при скольжении меньше пяти процентов. На двигательном валу мелом рисуют отметку или ставят стробоскоп.

Подают свет от лампы и считают количество оборотов за определённый промежуток времени и, используя формулы, определяют значение.

Ещё для замера скорости скольжения применяют катушку индуктивности. Оптимальным вариантом будет катушка контактора тока постоянной величины. К ней подключают милливольтметр и помещают в окончание роторного вала.

По количеству колебаний стрелки за определённый промежуток времени с помощью формулы вычисляют скорость вращения.

Кроме того, у двигателя с ротором фазы величину скольжения определяют амперметром (магнитоэлектрическим). Прибор подсоединяют к одной из роторных фаз и по количеству стрелочных колебаний, опять-таки применяя формулу, получают результат.

Мы выяснили, что такое скольжение двигателя, способы его определения. Свои вопросы оставляйте в комментариях.

Источник

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

Управление асинхронным двигателем

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.

Источник