Задание 6. Асинхронный трехфазный электродвигатель

Рис. 6.1 – Консольный водяной насос с приводом от асинхронно электродвигателя

Рис. 6.2 - Внешний вид трехфазного электродвигателя

Асинхронные электродвигатели приводят в действие различное оборудование и устройства: насосы, компрессоры, станки, конвейеры, вентиляторы и т.д (рис. 6.1 и 6.2).

АД – трехфазный электроприемник, подключаемый к трехфазной сети.

На табличке электродвигателя приводятся его номинальные данные: мощность (на валу), КПД, cosφ, напряжение питания.

Потребляемый электродвигателем ток от сети определяется как для любого другого трехфазного электроприемника:

Полная мощность:

,

где P – активная мощность, определяется как отношение мощности на валу и КПД:

При пуске электродвигателя ток в 5-7 раз превышает номинальный, что необходимо учитывать при расчете сети, выборе аппаратов защиты. Чтобы определить значение пускового тока на табличке электродвигателя указывается кратность пускового тока i_п:

 

Электродвигатель имеет на статоре 3 идентичные фазные обмотки. В электродвигателях на клеммную колодку выведено 6 клемм – начала С1, С2, С3 и концы С4, С5, С6 обмоток (см. рис. 6.5, а). Это позволяет соединять обмотки «звездой» (рис 6.5, б) или «треугольником» (рис. 6.5, в) при помощи металлических перемычек.

 

	Y	D
а)	б)	в)
Рис. 6.5 – Клеммная колодка: колодка с выведенными началами и концами обмоток (а), включение обмоток в «звезду» (б) и в «треугольник» (в) при помощи перемычек

 

Если на табличке электродвигателя имеется надпись, например,  (рис. 6.6), то при подключении к сети с напряжением 380В обмотки необходимо соединить «звездой», к сети с напряжением 220В – «треугольником». Можно сказать, что обмотка такого электродвигателя рассчитана на 220В, поскольку при любом из этих соединений непосредственно на обмотке будет напряжение 220В.

Большинство АД подключаются к трехфазной сети с линейным напряжением 380В, но существуют АД работающие от сети 660В и даже 6000В.

Рис. 6.6– Табличка асинхронного электродвигателя

 

Статор - неподвижная часть трехфазного асинхронного электродвигателя имеет три обмотки, которые подключаются к трехфазной сети и создают вращающееся магнитное поле с постоянной частотой n₀, которая зависит от частоты питающего напряжения f, равного 50Гц и количества p полюсов статора, равного 1, 2, 3…:

Таким образом, магнитное поле создаваемое обмотками статора вращается с постоянной частотой n₀ равной 3000, 1500, 1000, либо 750об/мин при числе полюсов конкретного электродвигателя р=1, 2, 3 или 4 соответственно.

Магнитное поле статора вращается и «увлекает» за собой ротор, приводя его во вращения. Рассмотрим график механической характеристики на рис. 6.3, который показывает частоту вращения ротора электродвигателя в об/мин при различном тормозном усилии на валу - механическом моменте нагрузки в Нм – ньютон метрах.

При отсутствии нагрузки на валу ротора – холостом ходе, ротор вращается практически с частотой равной n₀ (точка 1).

Рис. 6.3 – МХ асинхронного электродвигателя

 Теперь будем притормаживать вал ротора. Чем больше тормозящее усилие на валу ротора, тем больше ротор начинает отставать от частоты вращения поля статора n₀. По этой причине такие электродвигатели и называются асинхронными, т.к. их ротор под нагрузкой не синхронно вращается с полем статора, а отстает от него.

Как сильно частота вращения ротора падает под нагрузкой, показывает скольжение s:

При номинальной нагрузке на валу (точка 2) вал вращается с номинальной частотой n_н. Работать при таком тормозном усилии электродвигатель рассчитан заводом изготовителем. При номинальной нагрузке Номинальное скольжение составляет порядка 0.02-0.05. Т.е. частота вращения ротора снижается всего на 2-5% по сравнению с n₀. Для примера, у электродвигателей с n₀=3000 об/мин при номинальной нагрузке частота вращения ротора 2820-2950 об/мин в зависимости от мощности электродвигателя.

При тормозном усилии М_кр, называемом критическим, двигатель крайне перегружен (точка 3). Частота вращения ротора в критическом режиме падает на 10-20% от n₀. При дальнейшем увеличении нагрузки ротор электродвигателя остановится или говорят «двигатель опрокидывается».

Еще одна точка на графике М_п - это пусковой момент, который развивает двигатель во время пуска.

Номинальный момент нагрузки связан с номинальной мощностью на валу (Вт) и номинальной частотой вращения (об/мин) соотношением:

 [Нм]

Например, для электродвигателя (рис. 6.4) Pн=0,75кВт, nн=2820 об/мин номинальный момент нагрузки:

 

В паспорте электродвигателя приводятся кратности пускового m_п (»1,2…2) и критического моментов m_кр (»2…3), которые показывают во сколько раз соответствующие моменты больше номинального:

,                                                               

 

  

Выбор электродвигателя по мощности. Как правильно выбрать электродвигатель для привода механизма? Номинальная мощность на валу электродвигателя P_н должна быть равна или несколько превышать мощность необходимую для работы приводимого в действие механизма P_c. Мощность P_c различных механизмов и устройств определяется по специальным формулам.

Для нормальной работы электродвигателя тормозной момент М_с который создается механизмом (рис. 6.3) должен находиться вблизи или равен номинальному моменту электродвигателя М_н. При M_c>>M_н двигатель будет перегружен, при M_c<<M_н - недогружен. Поэтому рабочая точка на механической характеристике должна находиться как можно ближе к точке 2 номинального режима работы.

Определить тормозной момент сопротивления механизма можно по выражению:

.                                                             

Для асинхронных электродвигателей опасны колебания напряжения в сети, т.к. с изменением напряжения изменяется максимальный М_кр и пусковой момент М_п. Так, при работающем электродвигателе и уменьшении напряжения в сети максимальный момент М_кр может оказаться меньше тормозного момента М_с, что приведет к остановке электродвигателя и выходу его из строя. Если пусковой момент М_п станет меньше тормозного момента М_с, то электродвигатель не запуститься.

В расчетах полагают, что момент электродвигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения . Например, при уменьшении напряжения на 10%, т.е. при 0.9·U_н (»300В) максимальный момент также уменьшится и составит 0,81 от максимального момента при номинальном напряжении. Поэтому после выбора электродвигателя производится его проверка на перегрузку и условие пуска с учетом возможного снижения напряжения в сети на 10%:

,                                              

Если какое либо условие не выполняется необходимо взять электродвигатель с мощностью на ступень больше.

 

Выполните задания.

1. На табличке асинхронного электродвигателя указана частота вращения (см. табл. 6.1). Определите частоту вращения поля статора n₀ и скольжение ротора в %.

 

Таблица 6.1 – К заданию

1, 2	3, 4	5, 6	7, 8	9, 10	11, 12	13, 14	15, 16	17, 18	19, 20	21, 22	23, 24	25, 26	27, 28	29, 30
2940	1450	960	2890	1430	950	2920	1460	970	2910	1440	980	2960	1470	940

 

Рис. 6.7

1. Асинхронный трехфазный электродвигатель необходимо правильно подключить в сеть. Вычертить рисунок. Правильно нарисовать перемычки и соединить с сетью, если известно напряжение сети U, номинальное напряжение электродвигателя. Определить номинальное скольжение в %, номинальный момент, потребляемый линейный ток и пусковой ток (i_п=6).

 

Таблица 6.2 – К заданию

U сети, В	Электродвигатель	P, кВт	n, об/мин	КПД	0,8	0,85	0,88	0,78	0,9
				cosj	0,82	0,84	0,86	0,88	0,89
220	∆/Y 220/380	3	1450		1	2	3	4	5
380		7,5	960		6	7	8	9	10
380		11	2830		11	12	13	14	15
380	∆/Y 380/660	15	1480		16	17	18	19	20
380		18,5	980		21	22	23	24	25
660		22	2910		26	27	28	29	30

1. Выбрать асинхронный электродвигатель по мощности (см. табл. П1) для привода водяного насоса. Четные варианты выбирают электродвигатель на 1500об/мин, нечетные на 3000об/мин. Мощность насоса можно определить по формуле:

 [Вт]                                                          

где Q - подача насоса, м³/ч, P – давление, Па, h - КПД насоса (принять 0.6-0.8). Подача Q и напор Н (для воды напор в 1м»10⁴Па) приведены в таблице.

 

Таблица 6.2 – К выбору подачи и напора насоса

Н, м	25	35	50	60	100
Q, м3/ч	№ варианта
20	1	2	3	4	5
30	6	7	8	9	10
40	11	12	13	14	15
50	16	17	18	19	20
70	21	22	23	24	25
90	26	27	28	29	30

 

1. Пользуясь паспортными данными асинхронного электродвигателя из таблицы приложения определить номинальный, критический и пусковой момент.
2. Построить график механической характеристики асинхронного электродвигателя. Отметить на графике точки, холостого хода, номинального, критического режима, пускового момента.
3. Указать на МХ рабочую точку насоса.
4. Произвести проверку выбранного электродвигателя по условиям перегрузки и пусковому моменту.
5. Определить, продолжит ли работу насос, если напряжение в электрической сети, питающей двигатель, снизится: а) на 5%, б) на 20%.