Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели относятся к двигателям переменного тока, принимающим главенствующее участие в управлении технологическими процессами и производственными установками (более 70 % всех ЭИМ оснащены именно ими). Различают:

– асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), питающиеся от трехфазной сети переменного тока (~220 В и более);

– асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР), питающиеся от трехфазной сети переменного тока (~220 В и более);

– асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и дополнительной пусковой обмоткой на статоре, питающиеся от однофазной сети переменного тока (~220 В и более);

Функциональные схемы асинхронных двигателей приведены на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Функциональные схемы асинхронных двигателей:

а) АДКР; б) АДФР; в) АДКР с однофазным питанием

Обозначения на схемах:

~ U ₁ – переменное напряжение статорной обмотки (трех- или однофазное);

M – Вращающий момент;

M _c – момент сопротивления на валу двигателя;

ω – скорость вращения двигателя;

Р – рабочая обмотка;

П – пусковая обмотка;

С – емкость фазосдвигающего элемента (подбирают таким образом, чтобы токи в рабочей и пусковой обмотках различались по фазе на 90^o).

Эти электродвигатели работают как в системах постоянной, так и переменной скорости ИМ.

Скорость n ₂ вращения ротора асинхронной машины отстает от скорости n ₁ поля статора, и может быть определена по формуле [11-13]

, (4.18)

где – частота питающего напряжения, т.е. частота вращения поля статора (Гц), , – угловая частота поля статора (рад/с);

P – число пар полюсов статора;

S – относительное скольжение поля ротора, .

Из формулы (4.17) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:

1. изменением частоты питающего напряжения;

2. изменением числа полюсов двигателя; для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;

3. изменением скольжения; этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором; для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР) имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации вследствие отсутствия щеточного контакта. Недостатком АДКР является трудность регулирования их частоты вращения, поскольку в энергетическом плане необходимо одновременно с изменением частоты изменять и напряжение питающей сети.

Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.

В силу природы электромагнитных процессов, обеспечивающих взаимодействие статорной и роторной обмоток, и нелинейности преобразования подводимой электрической энергии в механическую энергию вращения ротора, электродвигатели описываются нелинейными векторными дифференциальными уравнениями [11,13].

Можно много говорить о допущениях, позволяющих или не позволяющих свести модели электродвигателей переменного тока как объектов управления к тем или иным моделям, но применительно к учебной дисциплине «СУИМ» имеет смысл учесть место ЭИМ в структуре СУИМ и специфику работы электродвигателей в различных системах постоянной и переменной скорости. Рассмотрим основные аспекты применения АДКР.

Асинхронные трёхфазные общепромышленные электродвигатели с короткозамкнутым ротором применяются во всех отраслях промышленности, в электроприводах различных устройств, механизмов и машин. Работают как в системах постоянной, так и переменной скорости ИМ.

Асинхронные двигатели общепромышленного назначения изготавливаются в основном (базовом) исполнении и в модифицированных исполнениях. Основное (базовое) исполнение – двигатель монтажного исполнения IM1001 (1081), климатическое исполнение У3, для режима работы S 1, с типовыми техническими характеристиками, соответствующими требованиям стандартов. Внешний вид электродвигателя приведен на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Внешний вид АДКР

общепромышленного назначения

Отечественной промышленностью выпускаются трехфазные АДКР общепромышленного назначения серий АИР, АИРМ, 5А, 5АМ, 5АМХ, А, АИ, 5АИ, АД, АДМ, АИС, 6А. Модифицированное исполнение – двигатель, изготовленный на основе узлов основных (базовых) двигателей с необходимыми конструктивными отличиями по способу монтажа, степени защиты, климатическому исполнению и другими отличиями. Двигатели специального назначения – двигатели, предназначенные для узкоспециализированного применения: лифтов, транспорта, талей и т.д.

При использовании таких двигателей в ЭИМ постоянной скорости реализуют непосредственное подключение статорной обмотки к трехфазной сети с помощью контактного или бесконтактного (симисторного) реверсивного пускателя. В этом случае пренебрегают как электромагнитными, так и электромеханическими процессами в двигателе, и модель двигателя представляют в виде масштабирующего звена

. (4.19)

При использовании таких двигателей в ЭИМ переменной скорости реализуют либо фазовое, либо частотное управление. При этом применяют различные аппроксимированные модели электродвигателей.

АД представляет собой систему магнитно-связанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение обмоток статора и ротора непрерывно меняется, что приводит к изменению взаимной индуктивности и, соответственно потокосцеплений статора и ротора. Математическая модель АД при этом становится достаточно сложной [13] и требует обоснованного упрощения.

Общепринятыми являются следующие допущения:

– воздушный зазор равномерен;

– насыщение магнитной цепи отсутствует;

– намагничивающие силы обмоток распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

– обмотки статора и ротора строго симметричны и их оси сдвинуты в пространстве на 120°;

– потери на гистерезис и вихревые токи отсутствуют.

Часто пренебрегают электромагнитными процессами в двигателе, полагая, что в зоне малых отклонений координат электродвигатель представляет собой линейное апериодическое звено 1-го порядка

, (4.20)

где – коэффициент передачи АДКР, определяемый по формуле

;

, – номинальные значения соответственно угловой скорости и напряжения питания.

– постоянная времени электродвигателя, снимаемая по апериодической кривой разгона двигателя за время разгона t _р : .

Иногда модель электродвигателя как элемента СУИМ с частотным или фазовым управлением аппроксимируют линейным звеном 2-го порядка. При этом предполагается, что привод работает в зоне малых отклонений координат от некоторого рабочего режима. На рис. 4.11 приведена линеаризованная структурная схема АДКР, управляемого только частотой.

Эта модель, по сути, не отличается от модели ДПТ, регулируемого по цепи якоря (см. рис. 4.5).

Обозначения параметров на схеме:

, – заданное и действительное приращения угловой частоты вращения ротора;

– относительное напряжение статора, ;

Рис. 4.11. Структурная схема АДКР, управляемого частотой

напряжения статора

– напряжения статора;

– относительная частота напряжения статора, ;

, – соответственно электромагнитная и механическая постоянная времени электродвигателя.

Передаточная функция электродвигателя в этом случае представлена колебательным звеном 2-го порядка и имеет вид

. (4.21)

Однофазные асинхронные электродвигатели работают при наличии электрической сети с напряжением 220 В и частотой переменного тока 50 – 60 Гц.

Применяются, как правило, в маломощных ЭИМ постоянной скорости, причем преимущественно в релейно-импульсных СУИМ, работающих на запорно-регулирующей арматуре (ЗРА).

Математические модели таких двигателей представляют в виде (4.19) или (4.20). В последнем случае предполагается, что инерция двигателя существенна для реализации необходимого быстродействия СУИМ.

Отечественной промышленностью выпускаются, в частности, однофазные электродвигатели серии АИРЕ, которые применяются для привода станков, промышленных подъемных механизмов и механических агрегатов, для регулирования ЗРА котельных установок.

Двигатель аире соответствует классу безопасности IP54 и работает в режиме S1 (ГОСТ 183 – 74). Имеет мощность 0,55…1,5 кВт, скорость вращения 1500 – 3000 об/мин.

Асинхронные реверсивные однофазные электродвигатели с редуктором серии YN имеют мощность 6 –140 Вт, напряжение 220 В, частоту 50 Гц, скорость 1500 об/мин, коэффициент редукции 3 – 150 (с применением электромеханического модуля двигатель – редуктор).

Дата добавления: 2014-11-29