Расчет асинхронного электродвигателя (стр. 1 из 7). Мощность асинхронного электродвигателя

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей

Двигатели постоянного тока

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P2 [кВт] некоторых механизмов.

Вентилятор

где Q [м3/с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

ηвент, ηпер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

Насос

где Q [м3/с] – производительность насоса,

g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения,

H [м] – расчетная высота подъема,

ρ [кг/м3] – плотность перекачиваемой жидкости,

ηнас, ηпер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

Поршневой компрессор

где Q [м3/с] – производительность компрессора,

А [Дж/м3] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м3 давлением 1,1·105 Па до требуемого давления,

ηкомпр, ηпер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р2 [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

для двигателей постоянного тока (она же активная)

для двигателей переменного тока

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q1 может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.
Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.
Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.
Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.
Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

где Р2 – полезная мощность на валу, Р1 – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков;

3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий;

4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренно холодный климат;

ХЛ – холодный климат;

Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;

2. плавность пуска и снижение пусковых токов;

3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

По теме

Преобразователи частоты INSTART

Дополнительное оборудование к ПЧ: тормозные резисторы и модули, дроссели, фильтры

Устройства плавного пуска INSTART

Характеристики асинхронного двигателя ~ Электропривод

К энергетическим характеристикам асинхронного двигателя относятся КПД двигателя(η) коэффициент мощности (cosφ) и скольжение S.коэффициент полезного действия (η) вычисляется как отношение полезной мощности на валу двигателя Р2 кВт, к активной мощности, потребляемой двигателем из сети Р1 кВт;η = Р2/ Р1 коэффициент мощности (cos(φ)вычисляется как отношение потребляемой активной мощности Р1 кВт, к полной мощности, потребляемой из сети S1 кВА;

Коэффициент мощности

По ГОСТ Р. 51677-2000 асинхронные двигатели общепромышленного назначения делятся на двигатели с нормальным КПД и двигатели с повышенным КПД. У асинхронных двигателей с повышенным КПД, суммарные потери не меньше, чем на 20%, чем у двигателей с нормальным КПД такой же мощности и частоты вращения. Коэффициенты мощностей (cosφ) асинхронных двигателей определены в ГОСТ.Р 51677. Значения КПД и cosφ конкретного асинхронного двигателя можно узнать по каталогу или по шильдику.

Причем КПД и cosφ асинхронного двигателя определяются и нагрузкой машины. В справочниках по электрическим машинам можно увидеть эти зависимости.

Линейный ток двигателя можно определить исходя из номинальной полезной мощность (Р2, кВт), номинального напряжения (UH, В ), КПД (η) и cosφ.

Линейный ток двигателя

Мощность, потребляемая из сети можно определить из формулы:

Мощность двигателя

Скольжение вычисляется как разницу между номинальной n1 и синхронной nc частотой вращения двигателя, приведенной к номинальной скорости двигателя n1:

Скольжение

Номинальную частоту вращения ротора n1 или скольжение (S, %)можно определить по каталогу двигателя или прочесть на его шильдике.

Механические и пусковые характеристики асинхронного двигателя

Одной из основных характеристик асинхронного двигателя, является механическая характеристика. Механической характеристикой называют зависимость скорости вращения или скольжения от вращающего момента на валу двигателя. Она позволяет сравнить и согласовать механические свойства двигателя и рабочего механизма. Соответственно, зависимость скорости вращения или скольжения от тока статора называют электромеханической характеристикой.

механическая характеристика

Механическая характеристика асинхронного двигателя определяет зависимость момента на валу двигателя от скольжения, при сохранении неизменного напряжении и частоты питающей сети

Пусковые характеристики определяют величину пускового моментаMп, минимального момента Мmin, максимального или критического момента Мкр., пускового тока Iп или пусковой мощности Sп или их отношениями. Диаграмма момента, приведенного к номинальному моменту, от скольжения получила название относительной механической характеристики.

Номинальный вращающий момент можно определить по формуле:

Номинальный вращающий момент

P2н- номинальная мощность , кВт,N1н- номинальная частота вращенияю, об/мин.

Пусковые характеристики асинхронного двигателя

Пусковые характеристики

Пусковые характеристики асинхронного двигателя регламентирует ГОСТ 28327 ( МЭК 60034 — 12), а их значения приводятся в каталогах. Стандартные асинхронные двигатели могут иметь два исполнения по механическим характеристикам, которые определены в ГОСТ 28327 и МЭК 60034-12:N – двигатели с нормальный моментом;Н –двигатели с повышенным моментом.

Двигатели , изготовленные в исполнении N, рассчитывают на два последовательных пуска с остановкой между пусками из холодного состояния или на один пуск из нагретого состояния, после работы при номинальной нагрузке.

Момент сопротивления нагрузки при запуске прямо пропорционален квадрату частоты вращения и равняется номинальному моменту при номинальной частоте вращения, а значение внешнего момента инерции, γ , кг*м2, не должно превышать рассчитанного по формуле

Момент сопротивления нагрузки

где Р-номинальная мощность двигателя, кВт;р — число пар полюсов;

При построении характеристики предполагается, что момент сопротивления нагрузки остается постоянным и равен номинальному моменту. Кроме того он не зависит от частоты вращения. Значение же внешнего момента инерции не превышаетт 50% величины, полученной по приведенной выше формуле.

Механические характеристики асинхронных мшин зависят в том числе и от типа ротора, его номинальной мощности, и от числа пар полюсов.

Ввиду того, что разность в значениях момента при соответствующих скольжениях у двигателей с различным числом пар полюсов невелика, и не превышает значения поля допуска на моменты. Различные механические характеристики для разных исполнений асинхронных двигателей показаны на рис

механические характеристики

1 — исполнение N; 2 — исполнение Н; 3 — с повышенным скольжением. Механические характеристики группы двигателей, одной серии, или ее части обычно укладываются в некоторую зону. По средней линии этой зоны можно составить групповую механическую характеристику. Величина зоны групповой характеристики меньше поля допуска двигателей на моменты.

eprivod.com

Выбор электродвигателя, как подобрать электродвигатель, советы.

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Как правильно подобрать электродвигатель для оптимального и безаварийного функционирования системы «двигатель – нагрузка»? Как повысить надежность системы в целом? Какие условия должны быть учтены в первую очередь? Как уменьшить пусковой ток, увеличить пусковой момент или обеспечить плавность пуска? Это далеко неполный список вопросов, которые задают покупатели, обращаясь в нашу компанию. В данной статье мы постараемся максимально полно ответить на эти вопросы. Мы надеемся, что статья будет полезна Вам и поможет решить ряд проблем, возникающих как при эксплуатации старых, так и выборе новых электродвигателей.

Типы электрических двигателей

1. Двигатели постоянного тока.

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

2. Синхронные двигатели.

Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

3. Асинхронные двигатели.

Мощность и моменты

1. Вентилятор.

где Q [м3/с] – производительность вентилятора, Н [Па] – давление на выходе вентилятора, ηвент, ηпер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно, kз – коэффициент запаса.

2. Насос

где Q [м3/с] – производительность насоса, g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения, H [м] – расчетная высота подъема, ρ [кг/м3] – плотность перекачиваемой жидкости, ηнас, ηпер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно, kз – коэффициент запаса.

3. Поршневой компрессор

где Q [м3/с] – производительность компрессора, А [Дж/м3] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м3 давлением 1,1·105 Па до требуемого давления, ηкомпр, ηпер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно, kз – коэффициент запаса.

Полная мощность, потребляемая из сети:

1. для двигателей постоянного тока (она же активная)

2. для двигателей переменного тока

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

Напряжение и ток

Режим работы

1. Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.

2. Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.

3. Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.

4. Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.

5. Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

Класс энергоэффективности

где Р2 – полезная мощность на валу, Р1 – потребляемая активная мощность из сети.

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой: 1 – на открытом воздухе; 2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков; 3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий; 4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия: У – умеренный климат; УХЛ – умеренно холодный климат; ХЛ – холодный климат; Т – тропический климат.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;
2. плавность пуска и снижение пусковых токов;
3. увеличение срока службы двигателя.

Примечание

В случае возникновения вопросов, а также необходимости расчета параметров двигателя для Вашего нагрузочного механизма обращайтесь в наш технический отдел по координатам, приведенным на сайте в разделе «Контакты».

www.szemo.ru

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимости момента М,потребляемой мощностиP1, коэффициента мощности cos, коэффициента полезного действия (КПД), обычно обозначаемого символом , скольжения ротораsи тока статора от полезной мощности, т.е. мощности на валу двигателяР2,называются рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя. На рис. 9 показано поведение рабочих характеристик.

Зависимость М(Р2) определяется формулой

М = 9,55Р2/n2,

из которой следует, что полезный момент на валу двигателя Мс увеличением полезной мощности Р2возрастает несколько быстрее, чем Р2, так как частота вращения ротора двигателяn2при этом уменьшается.

Рис. 9

Характер зависимостиcos (Р2),т.е. зависимости коэффициента мощности асинхронного двигателя от мощности на валу, определяется выражением cos =Р1/3U1I1.

В связи с тем, что ток статора имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания вращающего магнитного поля, коэффициент мощности асинхронных двигателей всегда меньше единицы. Значение cosдля нормальных асинхронных двигателей средней мощности при номинальной нагрузке составляет 0,83–0,89. С уменьшением нагрузки на валу двигателя коэффициент мощности снижается и доходит до значений 0,2–0,3 при холостом ходе. В этом режиме полезная мощность на валу равна нулю, однако, при этом двигатель потребляет активную мощность из сети, расходуемую на магнитные потери, поэтому коэффициент мощности здесь не равен нулю. С увеличением нагрузки сверх нормативной наблюдается некоторое снижение значения коэффициента мощности за счет увеличения индуктивной составляющей сопротивления обмотки статора асинхронного двигателя. Характер изменения коэффициента мощности от нагрузки асинхронного двигателя имеет примерно такой же вид и изменяется по тем же причинам, что и у трансформатора.

Зависимость КПД асинхронного двигателя от нагрузки (Р2) определяется формулой

 = Р2 /Р1 = Р2 / (Р2+Р

где Р1 —активная мощность, потребляемая двигателем от питающей сети;Р—суммарные потери мощности в двигателе, равные сумме потерь мощности в магнитопроводе, электрических потерь мощности в обмотках статора, электрических потерь мощности в обмотках ротора, механических потерь и добавочных потерь мощности. При отсутствии нагрузкиР2 = 0, поэтому КПД электродвигателя при этом также равен нулю.

С увеличением нагрузки КПД двигателя растет и принимает наибольшее значение при условии, что постоянные потери мощности в электродвигателе (РС1+РС2+Рмех) оказываются равными переменным потерям мощности (РЭ1+РЭ2) в нем. При дальнейшем росте нагрузки КПД электродвигателя, так же как и трансформатора, снижается из-за сильного роста электрических потерь. Ток статора при отсутствии нагрузки равен току холостого хода (I1=I0). При увеличении мощности на валу электродвигателя возрастает и токI1, потребляемый двигателем из питающей сети. Увеличение тока происходит приблизительно по линейному закону. Однако при значительном возрастании мощности на валу линейность нарушается и ток начинает возрастать более интенсивно, чем мощность, так как коэффициент мощности двигателя при этом снижается, а электрические потери мощности в обмотках двигателя при больших нагрузках значительно возрастают. Снижение cos  и увеличение потерь мощности в двигателе компенсируются увеличением тока вследствие возрастания мощности. Этим же объясняется и характер изменения потребляемой из сети мощностиР1(Р2).

С увеличением мощности на валу, т.е. с увеличением нагрузки двигателя, вызываемой возрастанием момента сопротивления исполнительного механизма, частота вращения ротора уменьшается, а его скольжение при этом возрастает, вызывая увеличение ЭДС Е2в обмотках ротора, а следовательно, возрастание токов ротора и статора. При неизменном магнитном потоке двигателя это приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем. Таким образом, с увеличением нагрузки на валу равновесие между моментом, развиваемым двигателем, и моментом сопротивления наступает при снижении частоты вращения. При возрастании мощности на валу асинхронного двигателя происходит снижение частоты вращения ротора.

studfiles.net

устройство, принцип работы, технические характеристики, типы асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели представляют собой наиболее надежный и дешевый электрический двигатель по себестоимости, в сравнении с остальными электрическими машинами, в том числе и с машинами переменного тока.

Устройство асинхронного двигателя

Конструкция АД включает две главных основные части, это: неподвижный статор и вращающийся в нем – ротор. Между ними существует, разделяющий их воздушный зазор. И ротор, и статор имеют обмотку. Обмотка статора двигателя подключается к электрической сети переменного напряжения и считается первичной. Обмотка ротора считается вторичной, так получает электроэнергию от статора за счет создаваемого магнитного потока.

Корпус статора, который является одновременно корпусом всего электродвигателя, состоит из запрессованного в него сердечника, в его пазы укладываются, изолированные друг от друга электротехническим лаком, проводники обмотки. Его обмотка подразделяется на секции, соединяемые в катушки, составляющих фазы двигателя к которым подключены фазы электросети.

Конструкция ротора АД включает вал и сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с симметрично расположенными пазами для укладки проводников обмотки. Вал предназначен для передачи крутящего момента от вала двигателя к приводному механизму.

По конструктивным особенностям ротора, электродвигатели подразделяются на двигатель с короткозамкнутым или фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор состоит из алюминиевых стержней, которые расположены в сердечнике и замкнуты на торцах кольцами так называемое беличье колесо. В двигателях высокой мощности, до 400 кВт, пазы между пластинами ротора и шихтованным сердечником залиты алюминием под высоким давлением, благодаря чему создается повышенная прочность.

Фазный ротор АД включает некоторое число катушек от 3, 6, 9 и т. д., в зависимости от количества пар полюсов. Катушки сдвинуты на угол 120о, 60о и т. д. по отношению друг к другу. Количество пар полюсов ротора должны соответствовать количеству пар полюсов статора. Обмотки фазного ротора соединены в «звезду», концы, которой выводят к контактным токосъемным кольцам, соединенным с помощью щеточного механизма пусковым реостатом.

Принцип работы

По какому принципу работает асинхронный двигатель?

При подаче на трехобмоточный статор двигателя трехфазного напряжения от электрической сети переменного тока, происходит возбуждение магнитного поля, оно вращается со скоростью большей, чем скорость, с которой вращается ротор, в (n2<n1). Пересечение линий вращающегося поля статора полем ротора способствует созданию электродвижущей силы (ЭДС). Под воздействием индутируемой ЭДС, в закороченной роторной обмотке, происходит возникновение электрического тока. Когда происходит взаимодействие электрического тока в роторе машины и магнитного поля статора происходит возникновение крутящего момента, который заставляет двигатель работать.

Технические характеристики асинхронных двигателей

Главные условия, соответствующие качественной работе асинхронной машины, определенны ГОСТ. В них входят:

Соответствие размеров и мощности – ГОСТу.
Соответствие степени защиты – условиям эксплуатации.
Высокий уровень изоляции, относительно устойчивости к нагреву.
Климатическое исполнение электродвигателя должно соответствовать региону использования.
Соответствие режимам работы.
В должной мере представлены способы охлаждения.
Уровень шума при работе двигателя на (ХХ) холостом ходу должен соответствовать по ГОСТ, и не превышать 2-й класс.

Параметры и режимы работы

На основании вышеприведенных признаков подразумеваются следующие режимы работы, всего их 9:

Продолжительный или длительный режим с постоянной нагрузкой– S1;
Кратковременный, с полной нагрузкой – в течение заданного времени – S2;
Периодический кратковременный – в течение определенного по времени чередующимися периодами с полной нагрузкой – S3;
Режим с длительным периодом пуска, с определенными циклами работы в течение заданного периода времени– S4;
С быстрым торможением при помощи электрического способа – S5;
С кратковременной полной величиной нагрузки, режим включает циклы с полной токовой нагрузкой и холостым ходом – S6;
Режим с торможением электрическим способом, в течение длительного непрерывного периода работы – S7;
С изменением величины токовой нагрузки и значения скорости вращения, происходящими одновременно, с различными по протяженности периодами и с разной частотой вращения двигателя – S8;
Изменение скорости вращения нагрузки, происходящее в неопределенные периоды времени, изменение величины токовой нагрузки и скорости вращения соответственно рабочему диапазону – S9.

Основные параметры – это: напряжение по номинальному пределу, частота, ток номинальный, мощность на валу двигателя, количество оборотов вращения вала, КПД (коэффициент полезного действия), коэффициент мощности. При соединении обмоток электродвигателя в треугольник или звезду дается параметр их напряжения и тока при обоих этих соединениях.

При пуске АД на полное значение напряжения создается высокий пусковой ток, в это время значение пускового момента невелико, для его увеличения применяется повышение активного сопротивления вторичной цепи.

Режимы торможения

Асинхронный двигатель имеет три режима торможения.

Во время торможения происходит отдача электрической энергии в сеть, характеризуется тем, что скорость вращения ротора выше скорости магнитного поля;
Противовключение, этот режим возникает за счет увеличения статического момента или при переключении обмоток статора для другого направления вращения;
Динамическое торможение, наведенная ЭДС создает ток, который взаимодействуя с полем, создает тормозной момент.

Основные типы асинхронных двигателей

Кроме подразделения по признаку, разделяющему двигатели в зависимости от устройства ротора на короткозамкнутый или фазный, электродвигатели делятся по конструктивным признакам, базового и модифицированного изготовления.

В базовое исполнение входят электродвигатели монтажного IM1001 (1081) или климатического УЗ, для работы в режиме S1 исполнения, с требуемыми стандартами по ГОСТ.

В модифицированном исполнении присутствуют некоторые конструктивные отличия, соответствующие особенностям монтажа, усиленной степени защиты, характерному климатическому исполнению, предназначенные для использования в определенном регионе.

Асинхронные двигатели высокой мощности со степенью защиты, характерной для закрытого электродвигателя от попадания влаги и брызг, IP23 — 4 А, 5 А.

Взрывозащищенные двигатели, используемые для предприятий первой категории по электробезопасности.

АД специального предназначения используются в узкоспециализированном профиле, например, для лифтов, подъемных механизмов, транспорта.

Энергоэффективные асинхронные электродвигатели

Изготовление двигателей для специальных и строго определенных условий эксплуатации положительно сказывается на энергосбережении, это позволяет адаптировать электродвигатель к определенному электроприводу, что позволяет достичь наибольшего коэффициента экономической эффективности при эксплуатации. Проектирование асинхронного электродвигателя к регулируемому электроприводу обеспечивает эффективное энергосбережение.

Энергоэффективность достигается за счет увеличения длины сердечника статора без изменения величины и геометрии поперечного сечения, а также за счет уменьшения количества витков статорной обмотки для электропривода с возможностью регулирования. В результате получается значительное энергосбережение.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

podvi.ru

Расчет асинхронного электродвигателя

Реферат

Ускорение научно-технического прогресса требует всемерной автоматизации производственных процессов. Для этого необходимо создать электрические машины, удовлетворяющие по своим показателям и характеристикам, весьма разнообразным требованиям различных отраслей народного хозяйства.

Процесс создания электрических машин включает в себя проектирование, изготовление и испытание. В настоящем курсовом проекте рассматриваются вопросы проектирования электрических машин.

Под проектированием электрических машин понимается, расчет размеров отдельных ее частей, параметров обмоток, рабочих и других характеристик машины, конструирование машины в целом, а также ее отдельных деталей и сборочных единиц, оценка технико-экономических показателей спроектированной машины, включая показатели надежности.

Основные тенденции в развитии электромашиностроения.

Усовершенствование методов расчета машин;

Улучшение конструкции машин с придачей узлам и деталям эстетических и рациональных форм, при обеспечении снижения их массы и прочности. Повышение надежности машин, в частности за счет широкого распространения машин закрытого исполнения, в которых для улучшения охлаждения используют обдув наружной поверхности.

Наиболее применяемые степени защиты:

IP22- машина, защищенная от попадания твердых тел размером более 12мм и от капель воды.

IP23- машина, защищенная от попадания твердых тел размером более 12мм и от дождя.

IP44- машина, защищенная от попадания твердых тел размером более 1мм и от водяных брызг (закрытая машина).

Энергетические показатели машин (КПД и cos) в основном сохраняются на одном уровне.

Особо следует отметить повышение технологичности конструкции, осуществляемой широкой унификацией узлов и деталей машин и придания им форм, содействующих возможности применения прогрессивных технологических процессов и усовершенствованного оборудования – автоматических линий, агрегатных станков полуавтоматов, конвейеров и др.

Введение

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Потребности народного хозяйства удовлетворяются главным образом двигателями основного исполнения единых серий общего назначения, то есть применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий окружающей среды, предназначенные для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного исполнения серий с максимально возможным использованием узлов и деталей этого исполнения.

В некоторых приводах возникают требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

Электромашиностроение прошло большой путь развития, начиная от простейшей моделей, созданных полтора века назад на основе открытий М. Фарадея (1821- 1831), до современных электродвигателей и генераторов.

В настоящее время отечественной промышленностью изготовляются асинхронные двигатели мощностью от 0,12 до 400кВт единой серии 4А и мощностью свыше 400 до 1000 кВт – серии 4А, а также серии А1- мощностью от 0,04 до 315 кВт.

Новые серии разработаны с учетом международных норм- рекомендаций МЭК. В области асинхронных двигателей разработка серий проводилась в соответствии с согласованными общими рекомендациями по унифицированной увязки установочных размеров со шкалой мощностей.

1. Выбор главных размеров и расчёт обмотки статора

Расчёт асинхронных машин начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра статора

и расчётной длины воздушного зазора

. Наиболее целесообразным является выбор главных размеров, основанный на предварительном определении высоты оси вращения и увязке этого размера с наружным диаметром статора и последующем расчёте внутреннего диаметра статора.

Высоту оси вращения h и соответствующий ей наружный диаметр статора

определяют по таблицам 1 и 2 приложения для заданных номинальной мощности

, числа пар полюсов

и исполнения двигателя:

Внутренний диаметр статора

определяется:

где KD – коэффициент, определяется по таблице 3 приложения .

Полюсное деление, м:

Расчётная мощность, кВт:

где Р2 – мощность на валу двигателя, кВт;

kЕ – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяется по рисунку 1 приложения

Предварительные значения η и со sφ могут быть взяты по кривым приложения (рисунок 2 и 3), построенным по данным двигателей серии 4А.

Предварительный выбор электромагнитных нагрузок А , А/м и Вδ , Тл должен быть проведён особо тщательно, т.к. они определяют не только расчётную длину сердечника но и в значительной степени характеристики машины. Рекомендации по выбору А и Вδ, представленные в виде кривых на рисунках 4 и 5 приложения , основаны на данных изготовленных двигателей.

Коэффициент полюсного перекрытия αδ и коэффициент формы поля kв предварительно принимают равными:

Предварительное значение обмоточного коэффициента

выбирают в зависимости от типа обмотки статора. Для однослойных обмоток

=0,95÷0,96; для двухслойных обмоток при 2р=2 принимают

=0,90÷0,91, при 2р>2

=0,91÷0,92.

Расчётная длина воздушного зазора, м:

где Ω – синхронная угловая скорость вала двигателя, рад/с:

где

- синхронная частота вращения, об/мин;

- частота питания, Гц.

Критерием правильности выбора главных размеров D и

служит отношение

, которое должно находиться в пределах, показанных на рисунке 6 приложения для принятого исполнения машины. Если λ оказывается чрезмерно большим, то следует повторить расчёт для ближайшей из стандартного ряда большей высоты оси вращения h. Если λ слишком мало, то расчёт повторяют для следующей в стандартном ряду меньшей высоты h.

Для расчёта магнитной цепи помимо

необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечников статора (

) и ротора (

). В асинхронных двигателях, длина сердечников которых не превышает 250-300 мм, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции

. В более длинных машинах сердечники подразделяют на отдельные пакеты, разделённые между собой радиальными вентиляционными каналами.

Стандартная ширина радиального воздушного канала между пакетами

мм. Число пакетов

и их длина

связаны с расчётной длиной соотношением:

mirznanii.com

2. Выбор типа и мощности электродвигателя

В качестве критериев классификации электрических машин, применяемых в электроприводе выбраны:

1) Параметры электрической сети, питающей якорь машины. По этому критерию все электрические машины разделены на два класса: машины постоянного тока и машины переменного тока.

2) Принцип действия электрических машин, в соответствии с которым машины переменного тока разделены на асинхронные и синхронные.

3) Способ создания магнитного поля в машине. В соответствии с этим критерием машины постоянного тока поделены на пять типов:

магнитоэлектрические, в которых основное магнитное поле создается постоянными магнитами;
электромагнитные с независимым возбуждением, в которых обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику;
электромагнитные с параллельным возбуждением, в которых обмотка возбуждения и якорь подключены к одному, источнику параллельно;
электромагнитные с последовательным возбуждением, в которых обмотка возбуждения и якорь включены последовательно к одному источнику;
электромагнитные со смешанным возбуждением, когда часть обмотки возбуждения включена параллельно, а часть последовательно с якорем.

Асинхронные машины по этому критерию разделены на две группы:

с короткозамкнутым ротором;
с фазным ротором, обмотки фазного ротора через контактные кольца и щетки подсоединяются к внешней цепи.

Синхронные, так же, как и "машины постоянного тока, делятся на электромагнитные и магнитоэлектрические.

4) Конструктивный критерий, в соответствии с которым машины постоянного тока и синхронные делятся на явнополюсные (несимметричные в магнитном отношении) и неявнополюсные (симметричные в магнитном отношении).

3. Принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный трехфазный двигатель - самый распространенный в промышленности и сельском хозяйстве. Около 95% всех двигателей - асинхронные.

Асинхронный двигатель изобретен талантливым русским ученым М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Простота устройства, дешевизна, высокий к.п.д., возможность работы непосредственно от сети переменного тока, большая надежность в работе способствовали его быстрому внедрению во все отрасли хозяйства.Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рисунке показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.

Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с1, с2, с3, концы – с4, с5, с6.

Начала и концы фаз выведены на клеммник, закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660В по схеме звезда или в сеть с Uл =380В – по схеме треугольник.

Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из стержней, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки”. Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

У таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Причина этого недостатка – сильно закороченный ротор. Поэтому была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины.

На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: Рн, Uн, Iн, nн, а также тип машины.

Рн – это номинальная полезная мощность (на валу)

Uн и Iн – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения. Например, 380/220, Y/∆, IнY/Iн∆.

nн – номинальная частота вращения в об/мин.

studfiles.net

Каталог товаров