Асинхронные двигатели

1.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина)
(СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)
Факультет электротехники и автоматики
Кафедра робототехники и автоматизации производственных систем
Асинхронные двигатели
Презентация к лекциям по дисциплине «Электрические машины»
Подготовил: к.т.н.. доц. Лавров Анатолий Георгиевич
Санкт-Петербург
2020г.

2.

Раздел 2 Асинхронные двигатели
2.1. Основные виды машин переменного тока. Асинхронные машины
2.2. Вращающееся магнитное поле в машинах переменного тока
2.3. Устройство асинхронных машин
2.4. Принцип действия асинхронной машины
2.5. Асинхронный двигатель с разомкнутым (неподвижным) ротором
2.6. Приведение обмотки ротора к обмотки статора
2.7. Асинхронный двигатель с заторможенным ротором
2.8. Асинхронный двигатель с вращающимся ротором
2.9. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
2.10. Схема замещения асинхронного двигателя
2.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
2.12. Характеристика вращающего момента
2.13. Зависимость вращающего момента от величин напряжения
сети и активного сопротивления цепи ротора
2.14. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
2.15. Пуск в ход асинхронных двигателей
2.16. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
2.17. Сравнительный анализ технико-экономических свойств
2
асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором

3.

Раздел 2 Асинхронные двигатели
2.1 Основные виды машин переменного тока. Асинхронные машины
2.2 Вращающееся магнитное поле в машинах переменного тока
Y
С
+
+
+
Z
В
Y
С
+
+
Z
В
Y
С
IA
+
+
+
Z
Y
В
С
IB
+
+
В
IC
IC
IA
IA
IC
360
120
pm1
Z
Х
IB
IB
IC
Х
Х
Х
А
А
А
А
об
n1 f1
с
IA
IB
об
n1 60 f1
мин
3

4.

IA
IC
IB
360
60
pm1
n1
60 f1 об
2 мин
n1
60 f1 об
p мин
f1 50 Гц
p
n1 ,
об/мин
1
2
3
4
5
6
8
10
3000
1500
1000
750
600
500
375
300
4

5.

2.3 Устройство асинхронных машин
5

6.

6

7.

7

8.

14
13
12
11
9
1
2
3
4
6
5
7
8
10
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
8

9.

1
9
2
3
4
5
6 7 10
11
12
13
14
8
15
17
16
Асинхронный двигатель с фазным ротором
9

10.

2.4 Принцип действия асинхронной машины
1. Режим двигателя.
i2 2
n n1
60 f1
1 n1
e2
p
f
f
n2 2 1 n1
p
p
n n1
e2 0
1 2
i2 f 2 f1 n 0
i2 Fэм M эм
i2 0 Fэм 0, M эм 0
M эм
I 2a I 2 cos 2
10

11.

n n1
n n
s 1
n1
n 1 s n1
n 0
s 1
0 s 1
n n1 s 0
f 2 p n1 n p n1 1 s n1 spn1 sf1
f
sf
n2p 2 1 sn1 n2c n n2p 1 s n1 sn1 n1 1 2
p
p
2. Режим генератора
n n1 M эм 0 s 0
3. Режим электромагнитного тормоза
M эм
n
M эм M г
Mг
M эм n 0 M г
M эм M г
M эм
M эм M г
n
Mг
s 1
11

12.

M эм
n
n1
АГ
s 0
M эм
n
n1
M эм
n
n1
АД
ЭМТ
0
1
s 1
0 s 1
Ид. хх
Пуск АМ
s
12

13.

2.5 Асинхронный двигатель с разомкнутым ротором
I 2 0 M эм 0
n 0
E1
0
U1 I 0
F0
E2
1 E 1
E1 4,44 f1W1kоб1 0
kоб1 kр1k у1 0,92 0,98
E2 4,44 f1W2kоб2 0
kоб2 kр2k у2 0,92 1
&
&
U&1 E&
1 E 1 I 0r1
U1 E1 I 0 z1
U1 E1 jI 0 x1 I 0r1
U1 E1 I 0r1 jI 0 x1
E
4,44 f1W1kоб1 0 W1kоб1
kE 1
E2 4,44 f1W2kоб 2 0 W2kоб 2
13

14.

I 0 I 0a jI 0p
U1 E1 I 0r1 jI 0 x1
jI 0 x1
U1
E1
I 0r1
I0
I 0a
I 0p
0
E2
E1
14

15.

2.6 Приведение обмотки ротора к обмотке статора
W1 W2
E2 E1
m1 m2 kоб1 kоб2
W2 , m2 , kоб2 W1, m1, kоб1
E2 k E E2
Условия приведения:
1. S эм2 Sэм2
m2 I 2 E2 m1I 2 E2
m E
m
1 I2
I 2 I 2 2 2 I 2 2 I 2
m1E1
m1k E
kI kI
2. pэл2 pэл2
m2 I 22r2 m1I 2 2r2
x
3. arctg 2 arctg
r2
x2
r2
x2 x2
r2 r2
I
I 2 2
kI
kI
m1W1kоб1
m2W2kоб 2
r2 r2k E k I
x2 x2k E k I
15

16.

2.7 Асинхронный двигатель с заторможенным
короткозамкнутым ротором
E2 I 2 2 т.к. n 0 1 2
1 E 1 jx1I1 2 E 2 jx2 I 2
I1 1
При U 2 0 :
U1 E1 I1r1 jI1x1 E1 I1z1
0 E2 I 2 r2 jI 2 x2 E2 I 2 z2
I1z1 0 U1 E1
т.к. U1 Const. E1 Const. Const.
F F0 F1 F2
I1 I 0 I 2
I 0W1 I1W1 I 2 W2
F Const.
I 0 I1 I 2
U1 E1 I1r1 jI1x1
0 E2 I 2 r2 jI 2 x2
I1 I 0 I 2
16

17.

2.8 Асинхронный двигатель с вращающемся ротором
f 2 sf1
E2s 4,44sf1W2kоб2
E2 s sE2 E2 s sE2
x2 s sx2
U1 E1 r1I1 jx1I1
0 sE2 r2 I 2 jsx2 I 2 : s
I1 I 0 I 2
r2
0 E2 I 2 jx2 I 2
s
U1 E1 r1I1 j1x1I
0 E2 r2 I 2 jx2 I 2 r2
I1 I 0 I 2
1 s
I 2
s
1 s
0 E2 r2 I 2 jx2 I 2 r2
I 2
s
17

18.

2.9 Векторная диаграмма асинхронного двигателя
jx1I1
U1
I1
r1I1
U1 E1 r1I1 jx1I1
0 E2 r2 I 2 jx2 I 2 r2
I1 I 0 I 2
E1
1 s
I 2
s
I 2
1
1
I0
1 s
r2
I 2
s
r2 I 2
I 0a
I 0p
2
I 2
jx2 I 2
E1 E2
1 s
I 2 r2 I 2
I 0p I 0a I 0p I 0 E1 E2 I 2 r2
s
jx2 I 2 E1 I 2 I1 r1I1
I1 jx1I1 I1 U1
18

19.

2.10 Схема замещения асинхронного двигателя
E1 E2
& &
&
U&
1 E1 I1r1 jI1x1
1 s
&
&
&
&
0 E2 I 2 r2 jI 2 x2 I 2 r2
s
&
&
I&
1 I 0 I 2
& &
I&
0 I1 I 2
E1 E2 x0
I0
pмг r0
&
&
U&1 I&
1r1 jI1x1 I 0 r0 jx0
E1 E2 I 0 r0 jx0
1 s &
&
&
&
0 I 2 r2 jI 2 x2 I 2 r2
I 0 r0 jx0
s
I1 I 2 r0 jx0
I 0 I1 I 2
I1
U1
E1 E2
r2
x2
x1
r1
I0
x0
I 2
r2
1 s
s
r0
19

20.

2.11 Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
P1 m1U1I1 cos 1
pэл1 m1I12r1
P1
Pэм
Pмех
p
p
pэл1 мг1 эл2
P2
pмех pд
pмг1 m1I 02r0
P1 pэл1 pмг1 Pэм
Pэм m1I 2 2r2 m1I 2 2r2
1 s
r
m1I 2 2 2
s
s
Pэм pэл2 pмг2 Pмех
pэл2 m1I 2 2r2
pмг2 0
1 s 2
I 2
s
Pмех pмех pд P2
pд 0,5% P1
Pмех m1r2
20

21.

2.12 Характеристика вращающего момента
2 r2
Pэм m1I 2
s
M эм Pэм
1
2 n1 1
1
60
p
r
U12 2
pm1
s
M эм M
2
1
r2
2
r
c
x
c
x
1 1
1 1 2
s
pm1 2 r2
M эм
I 2
1
s
x
c1 1 1
x0
1. M f s
2. M
U12
3. M f r2
1 Механическая характеристика:
M f s при U1 Const., f1 Const.
M
Mm
Характерные точки:
1. s 0, n n1, M 0
2. s sн 0,03 0,05, n nн , M M н
Mп
Mн
0 sн
3. s sкр 0,1 0,2, n nкр , M M кр M m
4. s 1, n 0, M M п
sкр
1
s
21

22.

2. Максимальный электромагнитный момент
c1r2
(при r1 0)
sкр
M m s sкр
x1 c1x2
pm1
U12
Mm
1 2c1 x1 c1x2
Выводы:
1. M m
1
4. sкр
x1 c1x2
U12 2. M m f r2 3. M m
r2 5. km
3. Пусковой электромагнитный момент
pm1
U12r2
Mп s 1 Mп
1 r c r 2 x c x 2
1
12
1
1 2
Выводы:
1. M п U12
M
M
2. M п f r2
M
U >U U
M
1
m
M п M п M п
3. M пmax M m M
п
sкр 1
Mн
4. kп
Mп
1
Mн
1
1
m
Mm
1,7 3,0
Mн
r2 < r2 r2
0 sн
sкр
1
Mп
M н
s 0 sн
sкр
sкр
1
s
22

23.

2.13. Зависимость вращающего момента от величин напряжения сети и
активного сопротивления цепи ротора
1. M m M m M m
а. U1 >U1 U1
2. M п M п M п
b. r2 < r2 r2
3. sн sн sн при M н Const .
4. sкр Const.
1. M m Const.
2. M п M п M п
3. sн sн sн при M н Const .
4. sкр sкр sкр 1
M
Mm
M
Mm
U1 >U1 U1
r2 < r2 r2
Mп
M н
0 sн
sкр
1
Mп
M н
s
0 sн
sкр
sкр
1
s
23

24.

2.14 Рабочие характеристики асинхронного двигателя
n, M 2 , I1, P1, cos 1, f P2
cos 1 P1 I1 M 2 n
U1 Const.; f1 Const.
cos 1
n
P1
I1
M2
P2
P2н
cos 0 P10 I10
P2
P
P2
I1
M 2 2 n Const. M 2 P2 I1
cos 1
2 n
m1U1 cos 1
P1 P2 P10 pпост. pмг1 pмех pэл0 pпер. pэл1 pэл2 pд
P1
max pпост. pпер. cos 1
m1U1I1
P1
I1
cos 0 0,1 0,2
24

25.

2.15 Пуск в ход трехфазных асинхронных двигателей
Способы пуска:
M
Mm
1. Прямой пуск
Iп.п. 4 7 I1н
1
U1н
r1 r2 x1 x2 M п
2
2
Mн
2. На пониженном напряжении
M п U12
П
Н
0 sн
2
sкр
s
1
2. 1. Реакторный пуск
25

26.

2. 2. Автотрансформаторный пуск
2. 3. Пуск переключением «звезда – треугольник»
U
U п.Y/ . 1н
3
M п.Y/ .
M п.п
3
26

27.

3. Пуск двигателей с фазным ротором
Iп
Mп
U1н
r1 r2 Rп 2 x1 x2 2
U12 r2 Rп
pm1
1 r c r R 2 x c x 2
1 12
п
1 1 2
Rп Rп1 Rп2
M
Mm
1
3
2
1 r2
2 r2 Rп1
Mп Mm
M min
Mн
3 r2 Rп1 Rп2
Mп
0 sн s1
s2
1
s
27

28.

2.16 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
f
n n1 1 s 1 1 s
p
1. Частотное регулирование
U1 E1 4,44 f1W1kоб1 1 U1 / f1 Const.
2. Многоскоростные двигатели
28

29.

3. Регулирование скорости вращения изменением скольжения
M
Mm
1
2
1 U1н , sн
3
2 U1 U1н , s1 sн
Mп
M н
3 U1 U1, s2 s1
s
0 s s1 s2 s
1
кр
н
4. Регулирование скорости вращения изменением активного сопротивления
в цепи ротора
M
3
Mm
1 r2 , sн
2
2 r2 Rp1, s1 sн
3 r2 , Rp2 , Rp2 Rp1, s2 s1
Mп
M н
0 sнs1 s2 sкр
1
1
s
29

30.

2.17 Сравнительный анализ технико-экономических свойств
асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором
Достоинства АД с
короткозамкнутым ротором:
- простота конструкции
- лёгкое обслуживания
- отсутствие подвижных
электрических контактов
- простой пуск и легкость его
автоматизации
- высокий КПД и коэффициент
мощности
Достоинства АД с фазным
ротором:
- легкость и простота в получении
высокого пускового момента и
низкого пускового тока
- возможность прямого пуска
двигателей большой мощности
- плавность регулирования скорости
вращения в большом диапазоне
30

31.

Недостатки АД с
короткозамкнутым :
- малый пусковой момент
- высокий пусковой ток (в 4-7 раз
выше номинального)
- сложное и с малым диапазоном
регулировать скорости вращения
- низкий коэффициент мощности
при малых нагрузках
Недостатки АД с
фазным ротором:
- большие масса и габариты и
повышенная стоимость
- наличие подвижных электрических
контактов и как следствие, более
низкая надежность
- пониженное значение КПД
- сложное и частое обслуживание
31