Характеристика мотора: Страница не найдена

Чарльз П. Стейнмец внес свой вклад в решение этих проблем, исследуя гистерезисные потери в железной арматуре.Никола Тесла представил себе совершенно новый тип двигателя, когда представил себе вращающуюся турбину, вращаемую не водой или паром, а вращающимся магнитным полем. Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой в ​​отрасли. Его прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы. Тем не менее, небольшие коллекторные двигатели переменного тока, подобные двигателям постоянного тока, сохраняются в небольших бытовых приборах вместе с небольшими асинхронными двигателями Тесла. Мощность выше одной лошадиной силы (750 Вт) безраздельно властвует двигатель Tesla.

Современные твердотельные электронные схемы управляют бесколлекторными двигателями постоянного тока с помощью сигналов переменного тока, генерируемых источником постоянного тока. Бесщеточный двигатель постоянного тока, фактически двигатель переменного тока, заменяет обычный щеточный двигатель постоянного тока во многих приложениях. А шаговый двигатель , цифровая версия двигателя, приводится в действие прямоугольными волнами переменного тока, опять же, генерируемыми полупроводниковой схемой. На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, описанных в этой главе.

Круизные лайнеры и другие крупные суда заменяют приводные валы с редуктором на большие генераторы и двигатели мощностью в несколько мегаватт.Так было с дизель-электрическими локомотивами меньшего масштаба в течение многих лет.

На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и протекающего тока, преобразуя ее в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электрической энергии теряется в виде тепла, другого вида энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя.Тепло является нежелательным побочным продуктом этого преобразования. Он должен быть удален с двигателя и может отрицательно сказаться на долговечности. Таким образом, одной из целей является максимальное повышение КПД двигателя за счет снижения тепловых потерь. У двигателей переменного тока также есть некоторые потери, отсутствующие у двигателей постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели предпочтительнее из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году имел модель мощностью в поллошадиной силы (400 Вт).Тесла продала права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов США. Самые большие (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленные двигатели – это многофазные асинхронные двигатели . Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько отдельных обмоток на полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими сдвинутыми во времени синусоидами. На практике это две-три фазы. Большие промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными.Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, подобно трансформатору, в отличие от щеточного коллекторного двигателя постоянного тока.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора с обмотками, подключенными к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, показанный ниже, аналогичен двигателю мощностью 1/2 лошадиной силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам доступной электрической энергии. Статор двухфазного асинхронного двигателя имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу до тех пор, пока фаза переменного тока не изменит полярность.Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90° к первой паре. Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90° в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока. Статор на рисунке выше имеет выступающие , очевидные выступающие полюса, которые использовались в раннем асинхронном двигателе Теслы. Эта конструкция по сей день используется для двигателей малой мощности (<50 Вт). Однако для более крупных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД получаются, если катушки встроены в пазы, вырезанные в листах статора (рисунок ниже).

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, выбитыми из листов электротехнической стали. Их стопка закреплена концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые корпуса.

На рисунке выше обмотки двухфазного и трехфазного двигателей установлены в пазах статора.Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания. Реальные обмотки статора более сложны, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше. Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Теслы 2-φ с явно выраженными полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях полюсная обмотка разделена на одинаковые катушки, вставленные во множество меньших пазов, чем указано выше. Эта группа называется фазовый ремень (см. рисунок ниже).Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля поперек полюса. Это показано в разделе синхронного двигателя. Прорези на краю стержня могут иметь меньше витков, чем другие прорези. Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чем свидетельствует простой ротор (рисунок ниже).Ротор состоит из вала, многослойного стального ротора и встроенной медной или алюминиевой короткозамкнутой клетки , показанной на (b), снятой с ротора. По сравнению с якорем двигателя постоянного тока коллектор отсутствует. Это устраняет щетки, искрение, искрообразование, графитовую пыль, регулировку и замену щеток, а также повторную обработку коллектора.

Провода с короткозамкнутым ротором могут быть перекошены, перекручены по отношению к валу.Несоосность с пазами статора снижает пульсации крутящего момента. Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Сплав, используемый в пластинах, выбран из-за низких гистерезисных потерь.

Теория работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое притягивает ротор. Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле.Одним из способов создания вращающегося магнитного поля является вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии потока, пересекающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, протекание тока в проводящем диске. Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противоположна движению постоянного магнита — Закон Ленца . Полярность электромагнита такова, что он притягивает постоянный магнит.Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству линий потока, пересекающих диск, и скорости, с которой он режет диск. Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни протекания индуцированного тока, ни электромагнитного поля, ни крутящего момента.Таким образом, скорость диска всегда будет отставать от скорости вращения постоянного магнита, так что линии потока, пересекающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом. Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий потока пересекает диск. Крутящий момент пропорционален проскальзыванию , степени, в которой диск отстает от вращающегося магнита. Большее скольжение соответствует большему потоку, разрезающему проводящий диск, развивая больший крутящий момент.Аналоговый автомобильный вихретоковый спидометр основан на принципе, показанном выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита. Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, приводимыми в движение токами, сдвинутыми по фазе на 90°. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с паттернами Лиссажу на осциллографе.

Несовпадающие по фазе (90°) синусоидальные волны создают круговую диаграмму Лиссажу На приведенном выше рисунке круговая кривая Лиссажу создается путем возбуждения горизонтальных и вертикальных входных сигналов осциллографа с синусоидальными волнами, сдвинутыми по фазе на 90°.Начиная с (а) с максимальным «X» и минимальным «Y» отклонением, трасса движется вверх и влево к (b). Между (a) и (b) два сигнала равны 0,707 Впик при 45°. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (b). Трассировка движется к (b) с минимальным «X» и максимальным «Y» отклонением. При максимальном отрицательном «X» и минимальном отклонении «Y» трасса перемещается в (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он перемещается в (d) и обратно в (a), завершая один цикл.

На рисунке показаны две синусоидальные волны со сдвигом по фазе на 90°, воздействующие на отклоняющие пластины осциллографа, расположенные под прямым углом в пространстве. Комбинация синусоиды с фазой 90° и отклонения под прямым углом приводит к двумерному рисунку – кругу. Этот круг описывается электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора.На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов. Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об/мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об/мин. 3600 и 3000 об/мин — это синхронная скорость двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это, безусловно, верхний предел.Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость уменьшится вдвое, потому что магнитное поле поворачивается на 180° в пространстве на 360° электрической синусоиды.

Синхронная скорость определяется как:

[латекс]N_s = \frac{120 \cdot f}{P}[/latex]

Где:

N _s = Скорость магнитного поля (об/мин)

f = частота подаваемой мощности (Гц)

P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

Приведенный выше рисунок «половина скорости» имеет четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц: S = 120·50/4 = 1500 об/мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, тащит за собой ротор. Более длинное и более правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, который представляет собой трансформатор. вторичный. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с вращающимся полем статора. Результатом является вращение короткозамкнутого ротора. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, аэродинамических или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью. Однако проскальзывание между ротором и синхронным полем статора создает крутящий момент. Именно магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет проскальзывать пропорционально механической нагрузке.Если бы ротор вращался с синхронной скоростью, не было бы ни потока статора, разрезающего ротор, ни тока, индуцируемого в роторе, ни крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

Когда на двигатель впервые подается питание, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N _с . Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N _s . Ток, наведенный в короткозамкнутых витках ротора, максимален, как и частота тока, частота сети.По мере того, как ротор ускоряется, скорость, с которой поток статора пересекает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N _с и фактической скоростью ротора N, или (N _с  – N). Отношение фактического потока, обрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

[латекс]s = \frac{(N_s — N)}{N_s}[/латекс]

Где:

N _с = синхронная скорость

Н = скорость ротора

Частота тока, индуцированного в проводниках ротора, равна частоте сети при пуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется как:

[латекс]f_r = с \cdot f[/латекс]

Где:

с = скольжение,

f = частота питающей сети статора

Проскальзывание при 100 % крутящего момента обычно составляет 5 % или менее в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе:

f _r = S(f )
= 0,05 (50 Гц)
= 2,5 Гц.

Почему так мало? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц.Скорость ротора меньше на 5%. Вращающееся магнитное поле режет ротор только на частоте 2,5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью вращения ротора. Если ротор будет вращаться немного быстрее, на синхронной скорости, никакой поток вообще не перережет ротор, f _r  = 0,

На приведенном выше графике показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент с заблокированным ротором (T _LR ), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (T _FL ), безопасного постоянного крутящего момента.Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175 % от T _FL для приведенного выше примера двигателя. Пусковой ток, известный как ток блокировки ротора (I _LR ), составляет 500% от тока полной нагрузки (I _FL ), безопасного рабочего тока. Ток высокий, потому что это аналогично закороченной вторичной обмотке трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как подтягивающий момент . Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80 % синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175 % до 300 % крутящего момента при полной нагрузке. Этот разрывной крутящий момент (T _BD ) возникает из-за большего, чем обычно, проскальзывания на 20%. Ток уменьшился лишь незначительно в этой точке, но будет быстро уменьшаться после этой точки. Когда ротор разгоняется до нескольких процентов от синхронной скорости, крутящий момент и ток существенно уменьшаются. Проскальзывание будет составлять всего несколько процентов при нормальной работе. Для работающего двигателя любая часть кривой крутящего момента ниже 100 % номинального крутящего момента является нормальной.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100 % в течение нескольких секунд во время запуска, непрерывная работа при превышении 100 % может привести к повреждению двигателя. Любая нагрузка по крутящему моменту двигателя выше предельного крутящего момента приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю для состояния нагрузки «отсутствие механического крутящего момента». Это состояние аналогично открытому вторичному трансформатору. Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, демонстрирующих значительные отклонения от приведенной выше кривой крутящего момента.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (T _LR ) для двигателей различных конструкций и размеров находится в диапазоне от 60% до 350% крутящего момента при полной нагрузке (T _FL ). Пусковой ток или ток блокировки ротора (I _LR ) может составлять от 500% до 1400% тока полной нагрузки (I _FL ). Это потребление тока может представлять проблему для запуска больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) для двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для соответствия этим требованиям привода. Аналогичные классы N и H Международной электротехнической комиссии (МЭК) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Характеристики конструкций NEMA

Все двигатели, кроме класса D, работают с проскальзыванием 5% или менее при полной нагрузке.

• Класс B (МЭК Класс N)  двигатели по умолчанию используются в большинстве приложений.При пусковом моменте LRT = от 150% до 170% FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
• Класс A Пусковой крутящий момент такой же, как у класса B. Отпускной крутящий момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель справляется с кратковременными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
• Класс C (IEC Класс H)  имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем классы A и B, при LRT = 200 % от FLT.Этот двигатель применяется для нагрузок с жестким пуском, которые должны приводиться в движение с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
• Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (LRT) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Большое скольжение приводит к снижению скорости. Регулировка скорости плохая. Тем не менее, двигатель отлично справляется с нагрузками с высокой переменной скоростью, такими как те, для которых требуется маховик с накоплением энергии. Области применения включают штамповочные прессы, ножницы и элеваторы.
• Электродвигатели класса E представляют собой более эффективную версию класса B.
• Двигатели класса F  имеют гораздо более низкие LRC, LRT и пусковой момент, чем класс B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности по отношению к линии электропередачи. Коэффициент мощности в больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателях может достигать 90 % для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.Коэффициент мощности для небольших тихоходных двигателей может составлять всего 50 %. При пуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, повышаясь по мере того, как ротор достигает скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротор) к первичной обмотке (статор). Таким образом, линия электропередач испытывает реактивную нагрузку всего 10% PF. Когда ротор нагружается, увеличивающаяся резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

КПД асинхронных двигателей

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. КПД слабонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкий, поскольку большая часть тока приходится на поддержание намагничивающего потока. По мере увеличения нагрузки по крутящему моменту для создания крутящего момента потребляется больше тока, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается постоянным.Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при 50% FLT и еще на несколько процентов при 25% FLT. Эффективность становится плохой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Асинхронные двигатели обычно имеют увеличенный размер, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может запускаться и приводиться в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружается при крутящем моменте менее 75 % от номинального, когда КПД достигает пика, эффективность снижается лишь незначительно до 25 % FLT.

Nola Корректор коэффициента мощности

Фрэнк Нола из НАСА в конце 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, в двигателях с частичной нагрузкой, в частности, в двигателях 1-φ, необходимо экономить энергию. Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно постоянна по отношению к изменениям нагрузки.В то время как в полностью нагруженном двигателе нечего экономить, напряжение на частично нагруженном двигателе может быть уменьшено, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля. Это повысит коэффициент мощности и КПД. Это была хорошая концепция для общеизвестно неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась. Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокой эффективности (90%+) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95 % по-прежнему имеет КПД 94 % при 50 % крутящего момента при полной нагрузке (FLT) и КПД 90 % при 25 % FLT.Потенциальная экономия энергии при переходе от 100 % FLT к 25 % FLT представляет собой разницу в эффективности 95 % – 90 % = 5 %. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени работает на холостом ходу (ниже 25% FLT), например, к штамповочному прессу. Срок окупаемости дорогого электронного контроллера оценивается как непривлекательный для большинства приложений. Тем не менее, это может быть экономично в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если это привод

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100 % синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким процентам «отрицательного» скольжения, скажем, -1%. Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор движется на 1% быстрее, чем магнитное поле статора. Обычно он отстает на 1% в двигателе.Поскольку ротор пересекает магнитное поле статора в противоположном направлении (вперед), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

Такой индукционный генератор должен возбуждаться от «живого» источника мощностью 50 или 60 Гц. Энергия не может быть произведена в случае сбоя питания энергетической компании. Этот тип генератора переменного тока не подходит в качестве резервного источника питания.В качестве генератора ветряной турбины вспомогательной мощности он имеет то преимущество, что не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это отказоустойчиво.

Небольшие удаленные (от электросети) установки можно сделать самовозбуждающимися путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если нагрузка удалена, остаточный магнетизм может генерировать небольшой ток. Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор разгоняется до полной скорости, ток увеличивается, чтобы обеспечить ток намагничивания статора.В этот момент можно приложить нагрузку. Регулировка напряжения плохая. Асинхронный двигатель можно преобразовать в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в разгоне ветряной турбины до скорости в моторном режиме путем подачи на статор нормального сетевого напряжения. Любая скорость турбины, вызванная ветром, превышающая синхронную скорость, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность обратно в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.В то время как асинхронный двигатель имеет отстающий коэффициент мощности от линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока имеет опережающий коэффициент мощности. Асинхронные генераторы не нашли широкого применения в обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины постоянна и регулируется в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и она зависит от порывов ветра. Индукционный генератор лучше справляется с этими изменениями из-за присущего ему проскальзывания.Это нагружает зубчатую передачу и механические компоненты меньше, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, асинхронный генератор с прямым подключением к сети считается ветровой турбиной с фиксированной скоростью (см. «Асинхронный генератор с двойным питанием» для истинного генератора переменного тока с переменной скоростью). Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать, чтобы обеспечить высокую и низкую скорость, чтобы приспособиться к переменным ветровым условиям.

Асинхронные двигатели с несколькими полями

Асинхронные двигатели могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотки, соответствующие синхронным скоростям 1800 и 900 об/мин.Активация того или иного поля менее сложна, чем перемонтаж катушек статора.

Если поле сегментировано с выведенными выводами, его можно перемонтировать (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5° можно переключать на сегменты 45°. Для ясности выше показано подключение только одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеупомянутого двигателя частотой 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 об/мин до 3600 об/мин.

В:  Если двигатель работает на частоте 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?

А:

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{4}[/латекс]  [латекс] = 1500 об/мин (4-полюсный)[ /латекс]

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{2}[/латекс][латекс]= 3000 об/мин (2-полюсный)[ /латекс]

Асинхронные двигатели с регулируемым напряжением

Скорость небольших асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких приложений, как привод вентиляторов, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения.Это уменьшает крутящий момент, доступный для нагрузки, что снижает скорость (см. рисунок ниже).

Электронное управление скоростью в асинхронных двигателях

Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя частоту сети 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также уменьшает реактивное сопротивление X _L  , что увеличивает ток статора.Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими последствиями. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при снижении частоты.

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако напряжение необходимо увеличить, чтобы преодолеть увеличивающееся реактивное сопротивление, чтобы поддерживать ток на нормальном уровне и поддерживать крутящий момент. Инвертор приближает синусоидальные волны к двигателю с выходами широтно-импульсной модуляции.Это обрезанная форма волны, которая либо включена, либо выключена, имеет высокий или низкий уровень, процент времени «включения» соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

После применения электроники для управления асинхронным двигателем становится доступным множество методов управления, от простых до сложных:

• Скалярное управление:  Описанный выше недорогой метод управления только напряжением и частотой без обратной связи.
• Векторное управление:  Также известно как векторное фазовое управление.Компоненты тока статора, создающие поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в режиме реального времени, чтобы улучшить кривую скорости вращения двигателя. Это требует интенсивных вычислений.
• Прямое управление крутящим моментом:  Продуманная адаптивная модель двигателя обеспечивает более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменение нагрузки.

• Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
• Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, как следствие, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
• В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели запускаются автоматически.
• Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию электропередачи, обеспечивая при этом больший пусковой момент, чем требуется во время работы.Редукторы линейного тока Пускатели  требуются только для больших двигателей.
• Трехфазные двигатели будут работать на одной фазе, если они запущены.
• Статический преобразователь фазы  – это трехфазный двигатель, работающий от одной фазы без нагрузки на валу и обеспечивающий трехфазный выходной сигнал.
• Несколько обмоток возбуждения  можно перемонтировать для нескольких дискретных скоростей двигателя путем изменения количества полюсов.

Трехфазный двигатель может работать от однофазного источника питания.Однако он не запустится самостоятельно. Его можно запускать вручную в любом направлении, набирая скорость за несколько секунд. Он будет развивать только 2/3 номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.

Одна катушка однофазного двигателя

Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной интенсивности при 0° и 180° электрического поля.

Другая точка зрения состоит в том, что одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создает два вектора магнитного поля, вращающиеся в противоположных направлениях, дважды совпадающие за оборот при 0° (рис. выше-а) и 180° (рис. д). Когда вектора поворачиваются на 90° и -90°, они компенсируются на рисунке c. При углах 45° и -45° (рисунок b) они частично складываются по оси +x и компенсируются по оси y. Аналогичная ситуация существует на рисунке d.Сумма этих двух векторов представляет собой вектор, стационарный в пространстве, но меняющий полярность во времени. Таким образом, пусковой момент не развивается.

Однако, если ротор вращается вперед со скоростью, немного меньшей синхронной скорости, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении по отношению к вектору прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже 10% скольжения. Ротор будет иметь проскальзывание 200–10 % относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. кривую крутящего момента в зависимости от скольжения), кроме двухчастотной пульсации, возникает из-за вращения вектора в противоположных направлениях.Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора. Если ротор запустить в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, когда он приближается к скорости обратного вращения вектора.

Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую клетку, встроенную в цилиндр из стальных пластин, типичный для многофазных асинхронных двигателей.

Электродвигатель с постоянным разделением конденсаторов

Один из способов решить проблему с одной фазой — построить двухфазный двигатель, получающий двухфазное питание от однофазного.Для этого требуется двигатель с двумя обмотками, разнесенными на 90 ° электрических, питаемых двумя фазами тока, смещенными во времени на 90 ° . Это называется двигателем с постоянно разделенным конденсатором.

Этот тип двигателя имеет повышенную величину тока и сдвиг времени назад, когда двигатель достигает скорости, с пульсациями крутящего момента на полной скорости. Решение состоит в том, чтобы конденсатор (сопротивление) был небольшим, чтобы минимизировать потери.Потери меньше, чем для двигателя с расщепленными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до 1/4 лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя может быть адаптирован для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте этой главы.

. Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера.Тем не менее, меньшие размеры используют менее сложные для создания сосредоточенных обмоток с выступающими полюсами.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

На приведенном ниже рисунке для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку можно использовать конденсатор большей емкости, если он отключается центробежным выключателем, как только двигатель набирает скорость. Кроме того, вспомогательная обмотка может состоять из гораздо большего количества витков более толстого провода, чем используется в двигателе с расщепленной фазой сопротивления, чтобы смягчить чрезмерное повышение температуры.В результате для тяжелых нагрузок, таких как компрессоры кондиционера, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что доступна в размерах с несколькими лошадиными силами (несколько киловатт).

Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

Вариант двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) заключается в запуске двигателя с относительно большим конденсатором для высокого пускового крутящего момента, но с сохранением конденсатора меньшей емкости после пуска для улучшения рабочих характеристик без чрезмерного потребления тока.Дополнительная сложность двигателя с конденсаторным приводом оправдана для двигателей большего размера.

Пусковой конденсатор двигателя может быть двуханодным неполярным электролитическим конденсатором, который может представлять собой два последовательно соединенных полярных электролитических конденсатора + к + (или – к -). Такие электролитические конденсаторы, рассчитанные на переменный ток, имеют настолько высокие потери, что их можно использовать только в повторно-кратковременном режиме (1 секунда включена, 60 секунд выключена), например при запуске двигателя. Конденсатор для работы двигателя должен быть не электролитического, а полимерного типа с меньшими потерями.

Асинхронный двигатель с расщепленной фазой сопротивления

Если во вспомогательной обмотке намного меньше витков, меньший провод расположен на 90 ° электрического тока к основной обмотке, он может запустить однофазный асинхронный двигатель. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка. Можно получить около 30 ° разности фаз. Эта катушка создает умеренный пусковой момент, который отключается центробежным выключателем на 3/4 синхронной скорости.Эта простая схема (без конденсатора) хорошо подходит для двигателей мощностью до 1/3 лошадиных сил (250 Вт), приводящих в движение легко запускаемые нагрузки.

Этот двигатель имеет больший пусковой момент, чем двигатель с расщепленными полюсами (следующий раздел), но не такой большой, как двухфазный двигатель, собранный из тех же деталей. Плотность тока во вспомогательной обмотке во время пуска настолько высока, что последующее быстрое повышение температуры исключает частые повторные пуски или медленные пусковые нагрузки.

Nola Корректор коэффициента мощности

Фрэнк Нола из НАСА в середине 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при меньшей нагрузке, чем полная. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности меньше единицы из-за тока намагничивания, необходимого статору. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя по мере уменьшения нагрузки двигателя.При малой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив приложенное напряжение, улучшив коэффициент мощности и эффективность. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери.

Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трехфазные двигатели, для двигателей 1-φ существует потенциальная экономия энергии. Для полностью нагруженного двигателя нет экономии, поскольку требуется весь ток намагничивания статора.Напряжение не может быть снижено. Но есть потенциальная экономия от менее чем полностью загруженного двигателя. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе от напряжения выше 104 В переменного тока, например, холодильник на 117 В переменного тока. Для регулятора коэффициента мощности безопасно снизить напряжение сети до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное линейное напряжение, тем больше возможная экономия. Конечно, если энергетическая компания поставляет напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.

Любой однофазный асинхронный двигатель, практически не работающий, с 25% FLC или менее, является кандидатом на PFC. Тем не менее, он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как в лесопильном станке, пробивном прессе или конвейере, тем больше вероятность того, что контроллер окупится за несколько лет эксплуатации. Платить за него должно быть втрое легче, чем за более эффективный 3-φ-двигатель. Стоимость PFC не может быть возмещена для двигателя, работающего всего несколько часов в день.

Краткое описание: Однофазные асинхронные двигатели

• Однофазные асинхронные двигатели не запускаются самостоятельно без вспомогательной обмотки статора, приводимой в действие противофазным током около 90 ° . После запуска вспомогательная обмотка не является обязательной.
• Вспомогательная обмотка двигателя с постоянным разъемом  конденсатора  имеет последовательно включенный конденсатор во время пуска и работы.
• Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском имеет только конденсатор, включенный последовательно с вспомогательной обмоткой во время пуска.
• Двигатель с конденсаторным приводом обычно имеет большой неполяризованный электролитический конденсатор, включенный последовательно со вспомогательной обмоткой для запуска, а затем меньший неэлектролитический конденсатор во время работы.
• Вспомогательная обмотка двигателя с расщепленной фазой сопротивления создает разность фаз по сравнению с основной обмоткой во время пуска из-за разности сопротивлений.

Характеристики двигателей постоянного тока | Electriceasy.com

Характеристики двигателей постоянного тока серии

Крутящий момент в зависимости от тока якоря (T

В двигателях постоянного тока (до магнитного насыщения) крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату тока якоря, эти двигатели используются там, где требуется высокий пусковой крутящий момент.

Скорость в зависимости от тока якоря (N-Ia)

При малом токе нагрузки (и, следовательно, при малом токе якоря) изменение противоЭДС Eb мало и им можно пренебречь. Следовательно, для малых течений скорость обратно пропорциональна ɸ.Как известно, поток прямо пропорционален Ia, скорость обратно пропорциональна Ia. Поэтому, когда ток якоря очень мал, скорость становится опасно высокой. Вот почему нельзя запускать серийный двигатель без механической нагрузки .

Скорость в зависимости от крутящего момента (N-Ta)

Характеристики параллельных двигателей постоянного тока

Крутящий момент в зависимости от тока якоря (Ta-Ia)

Скорость в зависимости от тока якоря (N-Ia)

Характеристики составного двигателя постоянного тока

Характеристики электродвигателей | Электротехника

Для выбора надежного и экономичного двигателя необходимо хорошо знать условия эксплуатации.

Недостаточно просто указать выходную мощность в кВт и скорость, необходимо также знать следующие дополнительные сведения:

(i) Крутящий момент на валу во время работы, пуска и при различных нагрузках.

(ii) Ускоряющий момент и тормозной момент.

(iii) Частота переключения.

(iv) КПД двигателя при различных нагрузках.

(v) Прочие рабочие требования.

При изучении поведения двигателя, выбранного для конкретного приводимого агрегата, одной из первых задач является определение того, соответствует ли характеристика скорости и момента двигателя требованиям, предъявляемым характеристикой скорости и момента приводимого устройства. Поведение привода в течение переходного периода пуска, торможения или переключения скорости также зависит от того, как характеристики скорости-момента двигателя и приводимого агрегата изменяются в зависимости от скорости.

Поэтому необходимо изучить эти характеристики, чтобы иметь возможность правильно выбрать двигатель и получить экономичный привод.

Скоростно-моментная характеристика машины или механизма, определяемая соотношением ω = f(T _L ), определяется как отношение между скоростью, с которой он работает, и развиваемым им моментом сопротивления или нагрузки.

Разные виды механизмов и машин имеют разные скоростно-моментные характеристики.Однако можно сделать несколько общих выводов, если использовать следующее эмпирическое уравнение для скоростно-моментной характеристики некоторого ведомого узла промышленного оборудования:

T _L =T ₀ + (T _rn -T ₀ ) (ω/ω _n ) ^x …(1,3)

где Т _L — момент полной нагрузки (или сопротивления), развиваемый агрегатом при частоте вращения ω, к, Т ₀ — момент сопротивления, развиваемый агрегатом за счет трения в его движущихся частях, Т _rn — момент сопротивления момент сопротивления, развиваемый агрегатом при движении с номинальной номинальной частотой вращения ω _n , а x – экспоненциальный коэффициент, характеризующий изменение момента покоя при изменении скорости.

Приведенное выше уравнение (1.3) позволяет условно разделить скоростно-моментные характеристики различных видов машин и механизмов на следующие категории:

я. Нагрузки, требующие постоянного крутящего момента на всех скоростях:

Такая нагрузка создает для двигателя пассивный крутящий момент, практически не зависящий от скорости. Он также характеризуется требованием дополнительного крутящего момента при скорости, близкой к нулевой. Для этой характеристики x = 0 и момент нагрузки T _L не зависит от скорости.Скоростно-моментная характеристика для таких нагрузок показана вертикальной линией на рис. 1.4. Такими нагрузками являются сухое трение, краны при подъеме, лебедки, механизм подачи станков, поршневые насосы, работающие против постоянного напора, конвейеры, перекачивающие материал с постоянной массой в единицу времени. В силовых приложениях его обычно называют пусковым моментом, а в системах управления — трением (от трения прилипания).

Поскольку он меняет знак при изменении направления вращения, характеристика момента сухого трения является прерывистой, как показано на рис.1.4.

ii. Нагрузки с линейно-возрастающей характеристикой:

Такие скоростно-моментные характеристики, показанные прямой линией II на рис. 1.4, имеют каландровые машины, вихретоковые тормоза, генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, обеспечивающие нагрузки с фиксированным омическим сопротивлением и жидкостное или вязкое трение. В этом случае x = 1 и момент нагрузки T _L возрастает прямо пропорционально скорости.

iii. Нагрузки с нелинейно-возрастающей (параболической) характеристикой:

Для такой характеристики x = 2 и момент нагрузки T _L пропорционален квадрату скорости.Такую характеристику иллюстрирует кривая III на рис. 1.4. Нагрузка со значительной силой ветра, предельным примером которой является вентилятор, имеет крутящий момент, который изменяется почти пропорционально квадрату скорости. Воздуходувки, центробежные насосы, гребные винты на кораблях или самолетах, водяные колеса, трение в трубах, напор насосов и т. д. также имеют тот же тип скоростно-крутящих характеристик.

iv. Нагрузки с нелинейной падающей (гиперболической) характеристикой (или нагрузкой постоянной мощности):

Для такой характеристики x = – 1 и момент нагрузки T _L обратно пропорционален скорости, а мощность, необходимая для привода данного агрегата, остается неизменной.Такую характеристику иллюстрирует кривая IV на рис. 1.4. К этой категории нагрузок относятся отдельные виды токарных, расточных, фрезерных и других видов металлорежущих станков, сталепрокатных моталок.

Перечисленные выше категории нагрузок не охватывают все случаи, с которыми можно столкнуться на практике, но дают хорошее представление о характеристиках, типичных для очень многих видов промышленного оборудования. На практике встречаются нагрузки, представляющие собой комбинацию этих основных видов нагрузок.

Возможно, изменение момента нагрузки во времени имеет такое же или большее значение при выборе двигателя. Это изменение в некоторых приложениях может быть периодическим и повторяющимся, один цикл изменения называется рабочим циклом.

Различные типы нагрузок с точки зрения характеристик момента нагрузки можно классифицировать следующим образом:

(i) Непрерывные, постоянные нагрузки, такие как бумагоделательные машины, центробежные насосы или вентиляторы, работающие в течение длительного времени в одних и тех же условиях.

(ii) Постоянные переменные нагрузки, такие как подъемные лебедки, металлорежущие станки, конвейеры и т. д.

(iii) Пульсирующие нагрузки, такие как поршневые насосы и текстильные ткацкие станки и вообще все машины с коленчатым валом.

(iv) Ударная нагрузка, такая как прокатные станы, стригальные станки, прессы, кузнечные молоты и т. д. При таких нагрузках возникают кажущиеся, регулярные и повторяющиеся пики нагрузки или импульсы.

(v) Кратковременные нагрузки, такие как мотор-генераторы для зарядки аккумуляторов; серводвигатели, используемые для дистанционного управления зажимными штангами бурильных машин.

(vi) Кратковременные периодические нагрузки, такие как краны и подъемные механизмы, экскаваторы, роликовые поезда и т. д.

Некоторые машины (такие как шаровые мельницы) строго не относятся ни к одной из упомянутых выше категорий. Если бы такие нагрузки (шаровые мельницы, каменные дробилки и др.) характеризовались частыми ударами сравнительно небольших пиков, то правильнее было бы отнести их к разряду непрерывно-переменных нагрузок, а не к ударным нагрузкам. Иногда довольно сложно провести различие между пульсирующими нагрузками и ударными нагрузками, поскольку обе они носят периодический характер.

Один и тот же привод может быть представлен моментом нагрузки, изменяющимся либо со скоростью, либо со временем. Наиболее подходящим примером является нагрузка вентилятора, крутящий момент нагрузки которой T _L пропорционален квадрату скорости, также представляет собой непрерывную постоянную нагрузку.

Во всех машинах с коленчатым валом, таких как поршневые насосы и компрессоры, рамные пилы и т. д., момент нагрузки зависит от углового смещения вала или ротора двигателя.Для всех таких машин момент нагрузки T _L можно разложить на две составляющие: одну постоянной величины T _av , а другую переменную T _L ‘, которая периодически изменяется по величине в зависимости от углового положения вала. . Такие характеристики момента нагрузки можно для простоты представить рядом Фурье как сумму колебаний основной и гармонической частот, т. е.

Где θ = ωt, ω — угловая скорость вала двигателя, приводящего в движение компрессор.

При изменении скорости происходят лишь небольшие отклонения от фиксированного значения скорости ω _a , поэтому перемещение можно представить как θ = (ω _a + Δω)t. Таким образом, переменная часть крутящего момента нагрузки может быть представлена ​​как

Член r∆ωt, являющийся очень малым по величине, можно пренебречь. Таким образом, ограничиваясь малыми отклонениями по углу от положения равновесия, момент нагрузки, изменяющийся при угловом перемещении вала, может быть преобразован в периодически изменяющийся w.р.т. время.

В статье 1.9.1. учитывались изменяющиеся со скоростью моменты нагрузки. Однако как в подъемных механизмах, так и в транспортных системах существуют моменты нагрузки, зависящие не только от скорости, но и от характера пути, проходимого грузом при его движении. Например, сопротивление движению поезда, движущегося вверх по уклону или совершающего поворот, зависит от величины уклона или радиуса кривизны пути соответственно.

Сила из-за градиента дается как-

F _г = 1000 Вт sin θ кг. …(1,6)

Где W — вес поезда в тоннах.

Но в железнодорожных работах уклон выражается как подъем в метрах на пути 100 м и обозначается как «уклон в процентах» (G%)

т. е. G = Sin θ x 100

или sin θ = G/100

Подставив sin θ = G/100 в уравнение (1.6), имеем-

F _г = 1000 Вт × G/100 = 10 WG кг.…(1,7)

Сила тяги, необходимая для преодоления сопротивления искривлению, определяется эмпирической формулой, приведенной ниже:

F _c = 700 000 Вт/Р кг …(1,8)

Где R — радиус кривизны в метрах.

В грузоподъемных механизмах, в которых не используются хвостовые канаты или уравновешивающие канаты (рис. 1.7), момент нагрузки создается не только весом ненагруженной или загруженной клети, но и грузоподъемными канатами или тросами, которые зависит от положения двух клеток.Когда клетка 1 находится в крайнем нижнем положении и должна быть поднята вверх, весь вес веревки также должен быть перемещен вверх.

Когда обе клетки находятся на одной высоте, вес поднимаемой веревки становится равным нулю, так как вес веревок с обеих сторон уравновешивает друг друга, имея одинаковую длину. Когда клетка 1 находится выше клетки 2, часть веса веревки действует таким образом, чтобы способствовать движению клетки 1 вверх. В конечном счете, когда клетка 1 достигает самого верхнего положения, весь вес веревка помогает движению вверх.

Сила сопротивления движению груза вверх, F _r из-за изменения веса каната в зависимости от положения груза определяется как-

Где, W _r — общий вес веревки в кг, h — желаемая максимальная высота, на которую следует поднять клетку вверх, в метрах, а x — высота клетки в любом произвольном положении от дна наибольшая позиция в метрах.

При больших значениях h сила F _r в значительной степени влияет на работу привода, используемого в грузоподъемных механизмах, поскольку в такой ситуации вес каната может быть значительно больше, чем вес поднимаемого груза снизу вверх.Если мы используем хвостовые канаты, как показано пунктирными линиями на рис. 1.7, вес соединительного каната может быть уравновешен, и движение клеток может быть почти плавным.

5. Скоростные характеристики электродвигателя:

Моментно-скоростная характеристика двигателя определяется как отношение между скоростью, с которой он работает, и развиваемым им крутящим моментом, т. е. ω = f(T).

Практически все электродвигатели — с параллельным возбуждением, с последовательным возбуждением, составные двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и контактными кольцами, а также коллекторные двигатели переменного тока имеют падающую характеристику скорости и момента, т.е.е., их скорость падает по мере увеличения момента нагрузки. Однако степень изменения скорости с изменением момента у различных типов двигателей различна, что характеризуется так называемой жесткостью их скоростно-моментной характеристики.

Скоростно-крутящие характеристики электродвигателя можно разделить на три основные группы:

1. Абсолютно жесткая (плоская) характеристика скорости и крутящего момента:

Характеристика, не демонстрирующая изменения скорости при изменении момента нагрузки.С такой характеристикой работают синхронные двигатели (горизонтальная прямая I на рис. 1.8).

2. Жесткая характеристика скорости и крутящего момента:

Характеристика, показывающая скорость, которая незначительно падает с увеличением крутящего момента. Жесткую характеристику имеет двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, а также асинхронные двигатели в рабочей области скоростно-моментной характеристики (кривая II на рис. 1.8).

Характеристика скорости и момента асинхронного двигателя имеет «жесткость», которая различается в зависимости от того, какая точка характеристики принимается во внимание (рис.1.9). Между точками максимального крутящего момента в режиме двигателя T _{max M} и максимального крутящего момента в режиме генератора T _{max G} асинхронная машина будет демонстрировать довольно жесткую характеристику.

3. Мягкая характеристика скорости:

Характеристика, показывающая значительное падение скорости при увеличении крутящего момента. Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, особенно на маломоментном участке характеристики (кривая III на рис.1.8). У таких двигателей степень жесткости характеристики меняется на всем протяжении кривой.

Двигатели постоянного тока с составной обмоткой, в зависимости от степени жесткости их скоростно-моментных характеристик, могут рассматриваться как двигатели с жесткими или мягкими характеристиками.

6. Совместная скоростно-моментная характеристика электродвигателя:

Совместная работа электродвигателя и приводимого им агрегата, когда скорость имеет установившееся значение, соответствует условию баланса между приводным моментом двигателя и моментом сопротивления, развиваемым приводимым агрегатом при заданной скорости.Когда сопротивление или момент нагрузки, развиваемый на валу двигателя приводным агрегатом, претерпевает некоторое изменение, скорость и крутящий момент, развиваемые двигателем, изменяются автоматически, чтобы восстановить стабильную работу при новом значении скорости и момента нагрузки.

В случае неэлектрических первичных двигателей (водяная турбина, паровая турбина или дизельный/бензиновый двигатель) баланс между моментом сопротивления и крутящим моментом достигается за счет использования регулятора соответствующего типа для управления притоком энергии к первичному двигателю путем увеличение или уменьшение расхода воды, пара или топлива.В электродвигателях роль автоматического регулятора выполняет ЭДС двигателя. Эта способность электродвигателей поддерживать равновесие системы привода при изменении момента сопротивления (нагрузки), развиваемого ведомым агрегатом, чрезвычайно ценна, поскольку этот момент очень часто в той или иной степени нестабилен.

Это можно проиллюстрировать с помощью рис. 1.10, на котором показана характеристика скорости и момента (кривая III) параллельного двигателя постоянного тока и две характеристики I и II производственной единицы, приводимой в движение двигателем (например, конвейера). .

Характеристика I соответствует холостому состоянию конвейерной установки, а характеристика II соответствует более высокому уровню крутящего момента, развиваемого конвейером при обработке требуемого потока материала. Первоначально, в момент, когда конвейер работает без нагрузки, момент двигателя T = T, и двигатель работает со скоростью ω ₁ . Как только конвейер начинает поддерживать поток материала, увеличение нагрузки на двигатель приводит к торможению двигателя и снижению его скорости.Это заставляет двигатель развивать меньшую ЭДС.

Следовательно, ток якоря увеличивается, и двигатель начинает развивать больший вращающий момент. Крутящий момент двигателя растет до тех пор, пока не будет достигнута точка равновесия, при которой развиваемый двигателем момент равен моменту сопротивления приводимого агрегата, т. е. T = T ₂ (где скорость равна ω ₂ ). Эта новая точка также является общей как для скоростной характеристики II конвейера, так и для скоростной характеристики III двигателя.

При изучении работы двигателя и агрегата, который он приводит, иногда бывает удобно использовать так называемую совместную скоростную характеристику электропривода, представляющую собой кривую, представляющую собой алгебраическую сумму скоростно-моментной характеристики ведомого агрегата и приводного двигателя.

Скоростно-моментные характеристики вентилятора и приводного двигателя и совместная скоростно-моментная характеристика мотор-вентиляторного агрегата представлены кривыми I, II и III соответственно на рис.1.11.

Когда агрегат достигает установившейся скорости ω _с , двигатель работает с крутящим моментом T = крутящий момент нагрузки, T _L . В этом случае крутящий момент, указанный в характеристике соединения, будет равен нулю. Работа агрегата на установившейся скорости ω _s в этом случае будет считаться устойчивой, так как любое увеличение скорости приводит к отрицательному изменению (падению) момента, а любое падение скорости – к положительному изменению (росту) в крутящем моменте.

является примером совместной характеристики скорости и момента привода, который сможет работать стабильно.Если бы характеристика соединения имела вид кривой IV, работа не была бы устойчивой, так как небольшое увеличение скорости приводит к ускорению, так как момент двигателя превышает момент нагрузки. С другой стороны, небольшое снижение скорости приводит к замедлению, поскольку крутящий момент двигателя становится меньше крутящего момента нагрузки.

Рассмотренные выше условия работы привода в установившемся режиме представляют собой условия, необходимые для статической устойчивости привода, и применимы только при медленном изменении скорости и крутящего момента.В периоды переходных (быстрых) изменений, связанных с динамической устойчивостью, условия устойчивости привода будут иными.

Обычно, когда электропривод проектируется под конкретный привод, заранее известна его скоростно-моментная характеристика. Таким образом, проблема достижения стабильной работы в установившемся режиме при известных скоростях и моментах нагрузки ведомого агрегата состоит в выборе двигателя, характеристика скорости и момента которого будет совместима с характеристикой ведомого агрегата.

Этого можно добиться, сначала выбрав подходящий тип двигателя, а затем соответствующим образом изменив электрические параметры его цепей. Иногда для обеспечения требуемых скоростно-моментных характеристик становится необходимым создание специальных силовых и управляющих цепей для запутанной коммутации приводного двигателя и аппаратуры управления.

При поступательном движении активная или движущая сила F _d уравновешивается силой сопротивления F _r , развиваемой ведомой машиной, и силой инерции m dv/dt, возникающей из-за изменения скорости.Когда участвующее тело имеет массу m, выраженную в кг, и скорость v, выраженную в м/с, сила инерции, как и другие силы, будет выражаться в ньютонах (кг-м/с ² ).

Уравнение равновесия сил при поступательном движении тела можно соответственно записать в следующем виде:

Уравнение равновесия крутящего момента при поступательном движении тела можно, соответственно, записать в следующем виде:

Приведенное выше уравнение (1.11) показывает, что крутящий момент T _M , развиваемый двигателем, уравновешивается противодействующим или нагрузочным моментом T _L , действующим на его вал, и инерционным или динамическим моментом J (dω/dt). В приведенных выше уравнениях. В уравнениях (1.10) и (1.11) предполагается, что масса m участвующих тел и полярный момент инерции J привода остаются постоянными, что справедливо для большого числа промышленных машин и механизмов. В некоторых приводах возникает необходимость иметь дело с переменным полярным моментом инерции, как в случае кривошипно-шатунных приводов.

Из анализа уравнения. (1.11) можно определить различные состояния, в которых может оставаться электропривод, вызывающий вращательный двигатель:

1. Когда T _M > T _L , dω/dt > 0, т. е. привод будет разгоняться, в частности, набирая скорость для достижения номинальной скорости.

2. При T _M < T _L , dω/dt < 0, т.е. привод будет тормозиться и, в частности, останавливаться.Торможение, очевидно, будет происходить и при отрицательных значениях момента двигателя. Двигатель развивает отрицательный крутящий момент, когда он переходит в режим торможения.

3. Когда T _M = T _L , dω/dt = 0, т. е. привод будет работать с установившейся скоростью.

Приведенные выше утверждения, а именно, что когда T _M > T _L привод ускоряется, а когда T _M < T _L привод замедляется, действительны только тогда, когда возникает нагрузка или сдерживающий момент T _L быть пассивным крутящим моментом.Обратное может произойти при активных нагрузках крутящего момента. Например, при включении двигателя для подъема лебедки при ее опускании под собственным весом до изменения направления вращения происходит торможение привода при T _M > T _L . В случае, если T _M < T _L в описанной выше ситуации, когда двигатель был включен для подъема лебедки, нагрузка будет продолжать снижаться, и двигатель будет ускоряться, а не замедляться.

Инерция или динамический момент J (dω/dt) появляются только в переходных режимах, т. е. при изменении скорости привода. При разгоне привода момент инерции противодействует движению привода, а при торможении поддерживает движение привода. Момент инерции как по величине, так и по знаку определяется как алгебраическая сумма момента двигателя и моментов сопротивления и нагрузки.

Ввиду вышеизложенного знаки для T _M и T _L в уравнении.(1.11), соответствующие двигательному режиму ведущей машины и пассивному моменту нагрузки (или активному тормозному моменту) соответственно. В общем виде уравнение крутящего момента можно записать как

Выбор знака, который будет помещен перед каждым из крутящих моментов в приведенном выше уравнении. (1.12) зависит от условий эксплуатации и характера сопротивления или момента нагрузки. Уравнение движения привода позволяет определить зависимость момента, тока, скорости и пути от времени работы в переходных режимах.Все крутящие моменты в уравнении движения должны быть отнесены к некоторому заданному элементу системы. Чаще всего к валу двигателя относят как момент нагрузки, так и динамический момент.

Пример:

Двигатель соединен с нагрузкой, имеющей следующие характеристики:

я. Двигатель: T _м = 15 – 0,5ω _м

ii. Нагрузка: T _l = 0,5ω ² _м

Найдите стабильную рабочую точку для этой комбинации.

Решение:

Стабильная работа будет достигнута, когда-

Т _м = Т _л

или 15 – 0,5ω _м = 0,5ω _м ²

или ω _м ² + ω _м – 30 = 0

или ω _м = 5 или -6

Отбрасывая минус, имеем-

ω _м = 5 и T = 12,5

Таким образом, стабильная рабочая точка (12.5, 5) Ответ.

Двигатель обычно приводит в движение промышленную машину через некоторую систему трансмиссии, отдельные части которой работают с разными скоростями. При проведении практических расчетов возникает необходимость отнесения моментов и масс отдельных деталей к какому-либо удобному элементу, например к определенному валу.

Моменты нагрузки могут передаваться от одного вала к другому на основе баланса мощности системы.При этом учитывают потери мощности в промежуточных звеньях передачи путем введения соответствующих значений КПД.

Пусть скорость вала двигателя ω _M , а скорость вала данной промышленной машины ω _L .

На основании равенства потоков мощности имеем-

или момент нагрузки относительно вала двигателя,

, где T _L — крутящий момент нагрузки, η _T — КПД трансмиссии, а i — передаточное число, равное ω _M /ω _L .

При наличии нескольких ступеней передачи между приводным двигателем и ведомой машиной, как схематично показано на рис. 1.12, с передаточными числами i ₁ , i ₂ ,…, i _n и соответствующими коэффициентами полезного действия трансмиссии η _T1 , η _T2 …, η _Tn , крутящий момент нагрузки относительно вала двигателя определяется как-

Моменты инерции относятся к данному валу на том основании, что общее количество кинетической энергии, запасенной в движущихся частях и относящейся к данному валу, остается неизменным.С вращающимися частями, имеющими полярные моменты инерции J _M , J ₁ , J ₂ , …, J _n и угловые скорости ω _M , ω 2 ₁ , 6 ω … ω _n (рис. 1.12), их динамическое действие можно заменить действием одного полярного момента инерции, отнесенного, скажем, к валу двигателя, и мы можем написать следующие уравнения:

Пример:

Двигатель приводит вращательную нагрузку через редуктор с передаточным числом а = 0.1 и КПД 90%. Нагрузка имеет момент инерции 10 кг·м ² и крутящий момент 50 Н·м. Двигатель имеет инерцию 0,4 кг·м ² и работает с постоянной скоростью 1400 об/мин. Определите эквивалентную инерцию двигателя и комбинации нагрузки относительно стороны двигателя и мощности, развиваемой двигателем.

Характеристики и характеристики электродвигателей

Характеристика

На первом декартовом циферблате показаны Крутящий момент, в [Нм] (ось X), скорость вращения, в [об/мин] (ось Y1), потребляемый ток в [А] (ось Y2) , эффективность (ось Y3).

— Для полноты картины только на этом графике также представлена ​​кривая выходной мощности в [Вт] (ось Y4). В технических паспортах кривая выходной мощности отсутствует.

Ниже перечислены эталонные параметры и объяснено, как читать характеристическую кривую.

Как читать характеристическую кривую

Каждому значению Torque соответствует значение тока и скорости. Каждая точка, соответствующая определенной нагрузке, располагается на идеальной вертикальной линии, начинающейся от значения крутящего момента по оси «х».

Затем на диаграмме определяется область, называемая «непрерывной рабочей областью», которая охватывает все рабочие условия до линии, определяющей номинальные значения.

Номинальная рабочая нагрузка является последней в порядке возрастания приложенной нагрузки, при которой двигатель может работать непрерывно без повреждений.

Номинальные значения, указанные в листах технических данных, являются ориентировочными значениями, и для омологации продукта необходимо провести испытание на долговечность.

О сроке службы двигателя постоянного тока или мотор-редуктора постоянного тока нет параметра, позволяющего точно определить, как долго может работать двигатель при определенной нагрузке и с определенным рабочим циклом.

Каждое применение на самом деле имеет свои особенности, такие как механическое трение, пики, особые условия окружающей среды, которые также могут сильно влиять на срок службы щеток.

Допуски кривых характеристик

Если не указано иное, его следует рассматривать как допуск скорости, область между двумя линиями, параллельными линии скорости, проведенной из значений +/- 10% скорости без нагрузки.

Для тока следует учитывать допуск +/- 10% от каждого значения тока.

Эти допуски применяются, когда двигатель «холодный» (20°C).

Характеристики двигателя постоянного тока — руководство по электрике

• Крутящий момент в зависимости от тока якоря (T v/s I _a )
• Скорость в зависимости от тока якоря (N v/s I _a )
• Крутящий момент в зависимости от скорости (T v/s N)