Синхронные и асинхронные двигатели. Области применения, отличительные особенности

Вал ротора изготовлен из стали и вращается  в шариковых или роликовых  подшипниках. Подшипники укреплены  в подшипниковых щитах, которые  изготовлены из чугуна или стали  и прикрепляются к корпусу  болтами.

Тепловая  энергия, возникающая в двигателе  в результате потерь электрической  энергии в его обмотках и магнитопроводе, нагревает двигатель. Для увеличения теплоотдачи ротор снабжен крыльчаткой, прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя.

2.2 Принцип действия асинхронного двигателя

 

В обмотке статора, включенной в  сеть трехфазного тока, под действием  напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся  магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит  в них переменную ЭДС, направление  которой определяется по правилу  правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток  того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся  магнитным полем возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает  момент, действующий в сторону.

Под действием  момента ротор приводит в движение и после разбега вращается  в том же направлении, что и  магнитное поле, с несколько меньшей  частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ÷ 0,98)n*₀.

Все сказанное  о принципе действия асинхронного двигателя  справедливо, если обмотка ротора выполнена  из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера – взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

             

6.Механическая характеристика  асинхронного                      двигателя

 

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора двигателя или скольжения от момента, развиваемого двигателем при установившемся режиме работы: n = f(M) или s = f(M).

Механическая характеристика является одной из важнейших характеристик  двигателя. При выборе двигателя  к производственному механизму  из множества двигателей с различными механическими характеристиками выбирают тот, механическая характеристика которого удовлетворяет требованиям механизма.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя может быть получено на основании формулы М_эм = (3I₂²r₂)/ω₀s и схемы замещения.

С помощью  схемы замещения определяют приведенный  ток фазы ротора:

____________________{___________________}

I^'₂ = U_1ф /√(r₁ + r^'₂/s) + (x₁ + x^'₂)²

где

r^'₂/s = r^'₂ + r^'₂(1– s)/s

Полученное  значение тока I^'₂ подставляют в уравнение момента, в котором предварительно I₂ и r₂ заменяют через их приведенные значения:

М = (3I₂²r₂)/ω₀s = (3I^'₂²r^'₂)/ω₀s

После подстановки  получим

I^'₂ = 3U_1ф² r^'₂ / ω₀s [(r₁ + r^'₂/s) + (x₁ + x^'₂)²]     (1)

Это выражение  представляет собой уравнение механической характеристики, поскольку оно связывает  момент и скольжение двигателя. Остальные  входящие в уравнение величины: напряжение сети и параметры двигателя –  постоянны и не зависят от s и M. Располагая параметрами двигателя, можно рассчитать и построить его механическую характеристику, которая будет иметь вид:

Однако необходимо отметить, что  после включения двигателя в  нем происходят сложные электромагнитные процессы. В тех случаях, когда  время разбега оказывается соизмеримым  с временем электромагнитных процессов, механическая характеристика двигателя будет существенно отличаться от статической.

Одной из важнейших точек характеристики, представляющей интерес при анализе  работы и выборе двигателя, является точка, где момент, развиваемый двигателем, достигает наибольшего значения. Эта точка имеет координаты n_кр , s_кр , M_max .

Значение  критического скольжения s_кр , при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент M_max , легко определить, если взять производную dM/ds выражения (1) и приравнять ее нулю.

После дифференцирования  и последующих преобразований выражение s_кр будет иметь следующий вид:

________

s_кр = ± r^'₂/√r₁² +  x_к²     (2)

где x_к = x₁ + x^'₂

Подставим s_кр вместо s в уравнение (1), получим выражение максимального момента

________

 М_max = 3U_1ф²  / 2ω₀s (r₁ ± √r₁² +  x_к²)     (3)

Необходимо  отметить, что из выражений (1) – (3) вытекает следующее.

Момент, развиваемый двигателем, при любом  скольжении пропорционален квадрату напряжения. Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения и не зависит от сопротивления цепи ротора. Критическое скольжение пропорционально сопротивлению цепи ротора и не зависит от напряжения сети.

Полученные  выражения удобны для анализа, однако, из-за отсутствия в каталогах параметров r₁ , x₁ , x₂ их использование для расчетов и построений характеристик затруднено.

В практике обычно пользуются уравнением механической характеристики, с помощью которой  можно произвести необходимые расчеты  и построения, используя только каталожные данные.

Активное  сопротивление обмотки статора r₁ значительно меньше остальных сопротивлений статора и ротора, и им обычно пренебрегают. Тогда выражения (1) – (3) будут иметь вид

 М = 3U_1ф²r^'₂ /ω₀s [( r^'₂ /s)² + x_к²]  (4)

s_кр = ± r^'₂/ x_к          (5)

 М_max = 3U_1ф² /2ω₀ x_к         (6)

Упрощенное  уравнение механической характеристики получается из совместного решения  уравнений (4) – (6)

M = 2M_max/(s/s_кр  + s_кр /s)         (7)

Значение M_max определяется из соотношения M_max /M_ном = λ, указанного в каталогах, а s_кр – из уравнения (7), если решить его относительно s_кр и вместо текущих значений s и M подставить их номинальные значения, которые легко определить по паспортным данным:

_____

s_кр = s_ном(λ ± √λ² – 1)      (8)

где s_ном = (n₀ – n_ном )/n₀ ; λ = M_max /M_ном .

Следует отметить, что в зоне от М = 0 до М ≈ 0,9М_max механическая характеристика близка к прямой линии. Поэтому, например, при расчетах пусковых и регулировочных резисторов эту часть механической характеристики принимают за прямую линию, проходящую через точки M = 0, n = 0 и M_ном, n_ном. Уравнение механической характеристики в этой части будет иметь вид

M = s M_ном / s_ном

 

 

 

2.4 Назначение и области  применения асинхронных машин

 

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой со,, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота со2 является функцией угловой скорости ротора Q, которая, в свою очередь, зависит от вращающего момента, приложенного к валу. 
Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе. 
Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам». 
Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко. 
Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока. 
Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2—5 %). 
Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих номинальный ток). 
Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами  избавлены от этих недостатков ценой усложнения конструкции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необходимости плавного регулирования частоты вращения. 
Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за значительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения. 
В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко. 
В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специальным устройством, которое позволяет после завершения пуска замкнуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток. 
Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназначаются для работы в определенных условиях с определенными техническими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся: 
механическая мощность, развиваемая двигателем, частота сети, линейное напряжение статора, линейный ток статора. частота вращения ротора; коэффициент мощности; коэффициент полезного действия.  
Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то указываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений   в виде дроби . 
Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводятся напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме. 
Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в широких пределах. Номинальная мощность — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения 60f\fp при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах — до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2—5 % меньше синхронной; в микродвигателях — на 5—20 %). Номинальное напряжение — от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях). 
Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65—0,95, в двигателях малой мощности 0,2—0,65. 
Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети, также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7—0,9; в двигателях малой мощности 0,3—0,7.

 

 

3 СРАВНЕНИЕ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

  Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько  сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении  пусковых свойств асинхронные двигатели  с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными  двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами, рассмотренными в гл. 10. Использование  некоторых из этих способов для регулирования  частоты вращения синхронных двигателей в принципе невозможно, а некоторых  связано с большими конструктивными  и эксплуатационными трудностями. Учитывая это, следует иметь в  виду, что синхронные двигатели относятся  к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного  двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cos φ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представлет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда  
cos φ < 1.

Из-за малых потерь мощности в роторе, а также в обмотке статора  при работе с высоким cos φ КПД синхронных двигателей оказывается больше, а масса и габаритные размеры меньше, чем у асинхронных двигателей.

Учитывая  указанные достоинства синхронных двигателей, стараются везде, где  это возможно, вместо асинхронных  двигателей применять синхронные. Они  применяются обычно в установках средней и большой мощности при  редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования  частоты вращения. Синхронные двигатели  используются, например, для привода  насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов постоянного тока преобразовательных установок.

 

 

4 СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И  ЛИТЕРАТУРЫ  

http://www.agrovodcom.ru/elektrodvigatel/info_asinhron-sinhron-dvigateli.php

http://www.induction.ru/library/book_005/11_12.shtml

http://coolreferat.com/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_2