Как рассчитать максимальный момент асинхронного двигателя

Содержание

Номинальный, максимальный и пусковой момент асинхронного двигателя. Формула Клосса
Как рассчитать максимальный момент асинхронного двигателя
Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя
Видео

Номинальный, максимальный и пусковой момент асинхронного двигателя. Формула Клосса

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, устройство и принцип действия.

Потери напряжения и мощности в трехфазной линии.

Ток нейтрального провода в трехфазной цепи является суммой фазных токов. При симметричной нагрузке сумма фазных токов равняется нулю. Таким образом, при симметричной нагрузке отсутствуют потери в нейтральном проводе. Потери напряжения и мощности в линии при трехфазном подключении в шесть раз меньше, чем при однофазном подключении потребителей такой же мощности.

При несимметричной нагрузке нейтральный провод необходим, по нему должен проходить выравнивающий ток. При несимметрии фазных токов появляется ток в нейтральном проводе. Если попытаться включить несимметричную нагрузку без нейтрального провода, получится перекос фаз, при котором на нагруженных фазах напряжение понизится, а на разгруженных появляется перенапряжение. Снижение напряжения нарушает работу потребителей, а перенапряжение может вывести из строя.

Потери энергии в нейтральном проводе снижают коэффициент полезного действия линии и ухудшается качество электроснабжения. Поэтому с целью получения симметричной нагрузки однофазные потребители стараются равномерно распределять по фазам.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Рассмотрим его устройство. На неподвижной части двигателя – статоре – размещается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе электродвигателя.

Собранный сердечник статора укрепляют в чугунном корпусе двигателя. Вращающуюся часть двигателя – ротор – собирают также из отдельных листов стали. В пазы ротора закладывают медные стержни, которые с двух сторон припаивают к медным кольцам.

Таким образом, все стержни оказываются замкнутыми с двух сторон накоротко. Если представить себе отдельно обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо». В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора. Вал вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах. Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам.

Рассмотрим характеристику, соответствующую режиму двигателя, т.е. при скольжении, изменяющемся от 1 до 0. Обозначим момент, развиваемый двигателем при пуске в ход (S=1) как M_пуск. Скольжение, при котором момент достигает наибольшего значения, называют критическим скольжением S_кр, а наибольшее значение момента – критическим моментом M_кр. Отношение критического момента к номинальному называют перегрузочной способностью двигателя

Критический момент не зависит от активного сопротивления ротора, но зависит от подведенного напряжения. При уменьшении U₁ снижается перегрузочная способность асинхронного двигателя.

Для построения механической характеристики задаются значениями коэффициента скольжения s и определяют по нему соответствующее значение частоты вращения ротора n, а также момент М по формуле Клосса

Если в эту формулу подставить вместо M и S номинальные значения момента и скольжения (M_н и S_н), то можно получить соотношение для расчета критического скольжения.

Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от 0 до S_кр, соответствует устойчивой работе двигателя. На этом участке располагается точка номинального режима (M_н, S_н). В пределах изменения скольжения от 0 до S_кр изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электромагнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превысит критический момент, то двигатель остановится.

Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от S_кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и при торможении.

Где k_м— кратность пускового момента.

Под критическим моментом понимают наивысшее или максимально возможное значение. В случае если момент нагрузки превысит величину критического момента, то двигатель остановится.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

В этом разделе мы разместили подборку статей посвященных такому важному в теории асинхронного привода понятию как момент. Здесь читатели найдут материалы раскрывающие значения отдельных терминов так или иначе связанных с понятием момента. Дополнительно мы организовали подборку статей с формулами по которым можно рассчитать конкретные значения моментов или построить их зависимости. Для большей наглядности сдесь же можно найти примеры иллюстирующие использование формул для рассчета того или иного показателя.

Из теории мы знаем что номинальный момент двигателя это момент на валу развиваемый при номинальной мощности и номинальных оборотах вала двигателя.

Как мы выясняли ранее под номинальным моментом понимают такой момент на валу электродвигателя, величина которого постоянна при постоянной номинальной частоте вращения вала.

Ранее мы рассмотрели подробно что представляет собой пусковой момент асинхронного электрического двигателя и по каким формулам можно посчитать значение пускового момента (новая статья). В этой статье мы приведем пример расчета значение пускового момента для линейки асинхронных электродвигателей. Для расчета мы будем использовать данные которые можно получить из паспорта двигателя: номинальный момент и кратность пускового момента по отношению к номинальному. Расчет будет выполнен по формуле:

Прежде чем изложить и проанализировать формулы для вычисления пускового момента вспомним что это такое. Под пусковым моментом понимают момент на валу двигателя при определенных условиях. Ключевыми условиями являются равенство нулю скорости вращения ротора, установившееся значение тока и номинальное напряжение на обмотках двигателя.

В некоторых механизмах на начальном этапе запуска привода необходимо обеспечить максимальный пусковой момент. Для решения этой задачи хорошо подходит асинхронный двигатель с фазным ротором. Кратко опишем, что он собой представляет. Асинхронный электродвигатель с фазным ротором имеет ротор, в пазы которого уложена обмотка. Тип соединения обмотки ротора «звезда». Концы фаз обмотки ротора подключают к специальным контактным кольцам. Кольца вращаются вместе с валом двигателя. В цель обмоток ротора может быть включен реостат для пуска и регулирования. Подключение реостата выполняется с помощью щеточного контакта скользящего по кольцам. Данный реостат является добавочным активным сопротивлением. Это сопротивление одинаково для каждой из фаз обмотки.
Благодаря возможности включения реостата в обмотку ротора в данных двигателях имеется возможность обеспечивать максимальное значение пускового момента уже на этапе запуска двигателя. При этом удается снизить пусковые токи. Эти двигатели используют для приводов механизмов с высокими требованиями к уровню пускового момента (например, пуск под нагрузкой).
Дополнительная информация о пусковом моменте асинхронного двигателя

Важным понятием в области физики твердого тела является понятие крутящего момента. Особое значение имеет это понятия в области электропривода. В этой статье мы разберем базовые понятия, связанные с крутящим моментом.
Для начала заметим, что крутящий момент часто называют так же моментом силы, вращательным моментов, вертящим моментом и вращающим моментом. Все эти термины являются синонимами. Хотя в некоторых практических приложениях их следует различать. Например, в технических задачах под «вращающим моментом» понимают внешнее усилие, прикладываемое к объекту, а под «крутящим моментом» понимают внутренние усилия, которые возникают в объекте под действием приложенных нагрузок. В нашей статье мы будем использовать термин крутящий момент.

Момент нагрузки – момент, создаваемый вращающейся механической системой присоединенной к валу асинхронного двигателя. В качестве синонимов в литературе встречается термин момент сопротивления. Момент нагрузки зависит от геометрических и физических параметров тел входящих в кинематическую цепь, присоединенную к валу двигателя. Как правило, при расчете момент сопротивления принято приводить к валу двигателя.

Тормозной момент – момент, развиваемый асинхронной машиной, в режиме торможения. В литературе встречается термин синоним: тормозящий момент. В рамках теории асинхронных электродвигателей рассматривают 3 режима торможения: генераторное, динамическое и торможение противовключением.

Критический момент асинхронного двигателя – наибольшее значение момента развиваемое электродвигателем. Этого значения момент достигает при критическом скольжении. Если момент нагрузки на валу двигателя будет больше критического момента, то двигатель остановится.

Номинальный момент асинхронного двигателя – момент, возникающий на валу двигателя при номинальной мощности и номинальных оборотах. Под номинальными данными понимают данные, которые определяются при работе двигателя в режиме, для которого он был спроектирован и изготовлен.

Пусковой момент на валу асинхронника – вращающий момент, который развивает на валу электрический асинхронный двигателя при следующих условиях: скорость вращения равна нулю (ротор неподвижен), ток имеет установившееся значение, к обмоткам электродвигателя подведено номинальное по частоте и напряжению питание, соединение обмоток соответствует номинальному режиму работы электродвигателя.

Электромагнитный момент – момент, возникающий на валу электродвигателя при протекании по его обмоткам электрического тока. В литературе встречаются синонимы этого термина: вращающий момент двигателя или крутящий момент электродвигателя. Так же часто попадаются вариации с более развернутой формулировкой: электромагнитный вращающий момент или электромагнитный крутящий момент.

В рамках современной теории асинхронных электрических машин применяют ряд терминов связанных с понятием момента. Часть этих терминов относится к моменту создаваемому на валу (на роторе) электродвигателя. Другая группа терминов определяет моменты создаваемые механической нагрузкой подключенной к валу электрического двигателя.

Эти термины определяют как сам момент развиваемый двигателем, так и различный состояния момента на выходном валу двигателя. Под состоянием подразумевается значение момента в кретических точках. Например номинальный момент или пусковой момент.

Источник

Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя

Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности:

— угловая синхронная скорость вращения.

Подставив в (13.11) значение электромагнитной мощности по (13.5), получим

т. е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.

Если значение тока ротора по выражению (12.25) подставить в (13.13), то получим формулу электромагнитного момента асинхронной машины (Н м):

М = (13.14)

Рассмотрим зависимость момента от скольжения M = f (s) при U₁ = const, f₁ = const и постоянных параметрах схемы замещения. Эту зависимость принято называть механической характеристикой асинхронной машины. Анализ выражения (13.14), представляющего собой аналитическое выражение механической характеристики M = f (s), показывает, что при значениях скольжения s = 0 и s = ∞ электромагнитный момент М = 0. Из этого следует, что механическая характеристика M = f (s) имеет максимум.

Для определения величины критического скольжения s_кр, соответствующего максимальному моменту, необходимо взять первую производную от (13.14) и приравнять ее нулю: dM /ds = 0. В результате

s_кр = ± r / ₂ / (13.15)

Подставив значение критического скольжения (по 13.15) в выражение электромагнитного момента (13.14), после ряда преобразований получим выражение максимального момента (Н м):

M_max = ± (13.16)

В (13.15) и (13.16) знак плюс соответствует двигательному, а знак минус — генераторному режиму работы асинхронной машины.

Для асинхронных машин общего назначения активное сопротивление обмотки статора r₁ намного меньше суммы индуктивных сопротивлений: r₁ / ₂ /(x₁ +x / ₂) (13.17)

и максимального момента (Н м)

M_max = ± (13.18)

Рис. 13.2. Зависимость режимов работы

асинхронной машины от скольжения

на 10% относительно номинального (U₁ = 0,9U_ном) электромагнитный момент двигателя уменьшается на 19% : M / =0,9 2 M, где М— момент при номинальном напряжении сети, а М / — момент при пониженном напряжении.

Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой M = f (s), представленной на рис. 13.3. При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n₁, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n₂ = 0) и скольжение s = 1.

Подставив в (13.14) скольжение s = 1, получим выражение пускового момента асинхронного двигателя (Н м):

М_п = (13.19)

Рис 13.3. Зависимость электромагнитного момента

асинхронного двигателя от скольжения

Под действием этого момента начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой М = f (s). При критическом скольжении s_кр момент достигает максимального значения М_m_ах. С дальнейшим нарастанием частоты вращения (уменьшением скольжения) момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х.х. M₀ и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) М₂, т. е.

Следует иметь в виду, что при скольжениях, близких к единице (пусковой режим двигателя), параметры схемы замещения асинхронного двигателя заметно изменяют свои значения. Объясняется это в основном двумя факторами: усилением магнитного насыщения зубцовых слоев статора и ротора, что ведет к уменьшению индуктивных сопротивлений рассеяния x₁ и х’₂, и эффектом вытеснения тока в стержнях ротора, что ведет к увеличению активного сопротивления обмотки ротора r / ₂. Поэтому параметры схемы замещения асинхронного двигателя, используемые при расчете электромагнитного момента по (13.14), (13.16) и (13.18), не мoгyт быть использованы для расчета пускового момента по (13.19).

Статический момент М_ст равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора (n₂ = const). Допустим, что противодействующий момент на валу двигателя М₂ соответствует номинальной нагрузке двигателя. В этом случае устано вившийся режим работы двигателя определится точкой на механической характеристике с координатами М = М_ном и s = s_ном, где М_ном и s_hom — номинальные значения электромагнитного момента и скольжения.

Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при скольжениях s ≥ s_кр. Так, если электромагнитный момент двигателя М = М_m_ах, а скольжение s = s_к_p, то даже незначительное увеличение нагрузочного момента М₂, вызвав увеличение скольжения s,

приведет к уменьшению электромагнитного момента М. За этим

ледует дальнейшее увеличение скольжения и т. д., пока скольжение не достигнет значения s = 1, т. е. пока ротор двигателя не остановится.

Таким образом, при достижении электромагнитным моментом максимального значения наступает предел устойчивой работы асинхронного двигателя. Следовательно, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы сумма нагрузочных моментов

действующих на ротор, была меньше максимального момента М_ст = (М₀ + М₂) = f (s) трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа 4А160М4УЗ номинальной мощностью 18,5 кВт, напряжением 220/380 В, частотой вращения 1465 об/мин. Параметры схемы замещения этого двигателя: r₁ = 0,263 Ом, x₁ = 0,521 Ом, r / ₂ = 0,158 Ом, х / ₂ = 0,892 Ом. Перегрузочная способность двигателя λ = 2,3, кратность пускового момента М_п /М_ном = 1,0.

Решение. Для получения данных, необходимых для построения механической характеристики двигателя, определяем номинальный электромагнитный М_ном пусковой М_п и максимальный М_max моменты, а также два промежуточных значения момента при скольжениях s > s_кр.

Номинальный электромагнитный момент по (13.14)

М_ном = =121 Н м

Пусковой момент двигателя М_п = М_ном = 121 Н м.

Максимальный момент двигателя М_max = λМ_ном = 2,3 121 = 278 Н м.

Электромагнитные моменты при скольжениях s = 0,2, s = 0,4 и s = 0,7 по (13.14):

M_0,2 = = 236 Н м

M_0,4 = = 150 Н м

M_0,7 = = 93,6 Н м

S	0,023	0,112	0,20	0,4	0,7	1,0
M, Н м	93,6
М =М/ M_max	0,44	1,0	0,85	0,54	0,34	0,44

Механическая характеристика M = f (s), построенная по этим данным, приведена на рис 13.4.

Применение формулы (13.14) для расчета механических характеристик асинхронных двигателей не всегда возможно, так как параметры схемы замещения двигателей обычно не приводятся в каталогах и справочниках, поэтому для практических расчетов обычно пользуются упрощенной формулой момента. В основу этой формулы положено допущение, что активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя r₁ = 0, при этом

M = M_max (13.21)

Критическое скольжение определяют по формуле

s_кр = s_ном (λ + ) (13.22)

Расчет механической характеристики намного упрощается, если его вести в относительных единицах M = M/ M_ном. В этом случае уравнение механической характеристики имеет вид

M = (13.23)

Пример 13.3. Рассчитать механическую характеристику трехфазного асинхронного двигателя типа 4А160М4УЗ (18,5 кВт, 1465 об/мин, λ = 2,3, M_п/ M_ном = 1,0) в относительных единицах M = f (s) по упрощенной формуле (13.23) и полученные результаты сравнить с данными, рассчитанными в примере 13.2.

Решение. Критическое скольжение по (13.22)

M _ном = = 0,46;