Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части статора 1 (рис. 1, а), на котором расположены обмотка 2 статора, и вращающейся части — ротора 3 с обмоткой 4. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка 2 статора представляет собой трехфазную или в общем случае многофазную обмотку, катушки которой размещают равномерно вдоль окружности статора. Фазы этой обмотки А-Х, B-Y и C-Z размещены равномерно по окружности статора; они соединяются «звездой» (рис. 1,б) или «треугольником» и подключаются к сети трехфазного тока.

Рис. 1. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а), схема включения его обмоток (б) и пространственное распределение вращающего магнитного поля (в) в двухполюсной машине

Обмотку 4 размещают равномерно вдоль окружности ротора. При работе двигателя она замкнута накоротко.

При подключении обмотки статора к сети создается синусоидально распределенное вращающееся магнитное поле 5 (рис. 1, в). Оно индуцирует в обмотках статора и ротора э. д. с. e1 и е2. Под действием э. д.с. е2 по проводникам ротора будет проходить электрический ток i2. На рис. 1, а показано согласно правилу правой руки направление э. д. с. е2, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф, по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения п меньше синхронной частоты n1, активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной э. д. с. е2, при этом условные обозначения (крестики и точки) показывают одновременно и направление активной составляющей тока i2.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарная сила Fрез, приложенная ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента М тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма и внутренних сил трения.

Э.д.с, индуцированная в проводниках обмотки ротора, зависит от частоты их пересечения вращающимся полем, т. е. от разности частот вращения магнитного поля n1 и ротора n. Чем больше разность n1— n, тем больше э. д. с. е2. Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающего момента является неравенство частот вращения n1 и n. Только при этом условии в обмотке ротора индуцируется э. д. с. и возникает ток i и электромагнитный момент М. По этой причине машина называется асинхронной (ротор ее вращается несинхронно с полем). Иногда ее называют индукционной ввиду того, что ток в роторе возникает индуктивным путем, а не подается от какого-либо внешнего источника.

Для характеристики отставания частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля служит скольжение, его выражают в относительных единицах или процентах:

Если, например, четырехполюсный двигатель имеет s = 4%, то частота вращения его ротора равна 1440 об/мин (частота вращения поля при частоте 50 Гц составляет 1500 об/мин, а отставание ротора от частоты поля равно 4 % от 1500 об/мин, т. е. 60 об/мин). В двухполюсном двигателе при s = 4% частота вращения ротора составляет 2880 об/мин (3000—0,04*3000 = 2880).

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение,

По своей конструкции различают двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Они имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются выполнением ротора. Пусковые свойства этих двигателей различны.

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

  • трехфазные;
  • двухфазные;
  • однофазные.

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Принцип работы

Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.

Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:

Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре

Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.

Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:

  • I – в этой позиции максимальный ток протекает в красной обмотке электродвигателя, а значение силы тока в желтой и синей равны. Основной поток силовых линий формируется красной фазой, а два других дополняют его.
  • II – в данной точке желтая синусоида равна нулю, поэтому никакого потока не создает, а сила тока красной и синей равны. Поток формируется сразу двумя фазами и смещается по часовой стрелке вправо, совершая поворот.
  • III – третья точка характеризуется максимумом токовой нагрузки для синей кривой, а красная и желтая имеет равную амплитуду, но противоположную по направлению. В результате чего максимум магнитных линий южного и северного полюса сместиться еще на 30°.
Читать еще:  Что расположено в двигателе рено логан

По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, отличающихся как сферой применения, так и мощностью согласно ГОСТ 12139-84 . В связи с тем, что все вариации перечислить невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные аппараты разделяются на виды.

По количеству питающих фаз выделяют:

  • трехфазные – используются в сетях, где есть возможность подключиться сразу ко всем фазам, но в частных случаях могут запускаться и в однофазной сети;
  • двухфазные – применяются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается напряжением сети, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
  • однофазные – как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых рабочая, а вторая пусковая.

По типу ротора различают:

  • с короткозамкнутым ротором – имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
  • с фазным ротором – на роторе устанавливается вспомогательная обмотка, делающая работу электродвигателя более плавной.

Рисунок 5: асинхронный двигатель с короткозамкнутым и с фазным ротором

По способу подачи питания:

  • статорные – классические модели, в которых рабочие обмотки устанавливают на статор;
  • роторные – рабочие обмотки помещаются на вращающемся элементе, широкое применение на практике получили асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

  • прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
  • переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
  • понижение напряжения;
  • плавный пуск;
  • изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

  • С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.

  • С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
  • С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

  • Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
  • Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
  • Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Применение

Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.

Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.

Преимущества и недостатки

К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:

  • Относительно меньшая стоимость, в сравнении с другими типами электродвигателей, за счет простоты конструкции;
  • Высокая степень надежности, благодаря отсутствию вспомогательных элементов редко выходят со строя;
  • Способны выносить кратковременные перегрузки;
  • Могут включаться в цепь напрямую без использования дополнительного оборудования;
  • Низкие затраты на содержание в ходе эксплуатации.

Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.

Видео по теме

Асинхронные двигатели. Принцип действия и режимы работы

Асинхронно – слово греческого происхождения (ασύγχρονα, где: α- отрицание, σύγ — вместе, χρονα – время), используется в русском языке для обозначения (наименования) процессов не совпадающих во времени.

Асинхронной, в электротехнике, принято называть машину, в процессе работы которой частота вращения ротора не равна частоте изменения магнитного поля создаваемого обмотками статора, вызывающего это вращение.

К асинхронным электрическим машинам относятся: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, асинхронные двигатели с фазным ротором, асинхронные микродвигатели общего применения, асинхронные тахогенераторы и другие, работающие по тому же принципу. Асинхронные электрические машины очень широко распространены благодаря таким качествам как: высокая надёжность, относительно низкая стоимость, приемлемые габариты и вес, просты в обслуживании. С появлением современных частотных преобразователей значительно расширился спектр применения асинхронных электродвигателей, благодаря возможности довольно просто и оптимально реализовывать такие функции как управление по скорости и моменту, вплоть до решения задач позиционирования. Не удивительно, что асинхронные двигатели применяются повсюду, особенно это касается асинхронных электродвигателей, объём выпуска которых занимает около 90% общего объёма мирового выпуска электрических машин.

Читать еще:  Что означает наклейка на двигателе

Принцип действия и режимы работы

Рассмотрим принцип работы асинхронного электродвигателя с помощью электромагнитной схемы (рис.1,а), которая отличается от электромагнитной схемы трансформатора тем, что неподвижный статор 1 представляет собой первичную обмотку, а вращающийся ротор 3 – вторичную. Магнитная связь между ротором и статором зависит от величины воздушного зазора между ними, поэтому, при изготовлении машины, в большинстве случаев, его стараются делать как можно меньше. На статоре расположена обмотка 2, катушки которой размещаются равномерно по его окружности. Обмотку статора (фазы A-X , B-Y, C-Z ) выполняют трёхфазной, или в общем случае многофазной, и соединяют её фазы в Y (звезду) или в (треугольник), что оказывает существенное влияние на такие характеристики как: мощность, плавность хода, величины пусковых токов и других параметров. Обмотку ротора а-x, b-y, c-z также выполняют трёхфазной или многофазной и тоже равномерно размещают по его окружности. В простейшем случаях включения, фазы ротора а-x, b-y, c-z, замыкают накоротко (см. рис. 1,б).

Рис.1. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а – направление электромагнитного момента при работе в режиме двигателя, б – подключение к сети трёхфазного тока) , где: 1- неподвижный статор; 2- обмотка статора; 3- вращающийся ротор; 4- обмотка ротора.

Когда обмотки статора асинхронной электрической машины подключены к сети трехфазного тока, в нём создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (n1) синхронна с частотой сети, питающей эти обмотки, и вычисляется по формуле:

где: n1 – частота вращения магнитного поля статора; f1 – частота сети; p – число пар полюсов обмоток статора.

Вращающееся магнитное поле индуктирует в проводниках ротора электрической машины ЭДС, что вызывает прохождение по ним тока, взаимодействие которого с магнитным потоком создаёт электромагнитный момент. Направление ЭДС, индуктированной в проводниках обмоток ротора, показано на рисунке 1, а согласно правилу правой руки, для случая, когда вращении магнитного потока (Ф) происходит по часовой стрелке. Крестики и точки на рисунке показывают направление активной составляющей тока ротора, совпадающего по фазе с индуктированной ЭДС.

Известно, что если проводники с током расположить в магнитном поле, то на них будут действовать электромагнитые силы, направление которых можно определить при помощи правила левой руки. Приложенное к каждому проводнику ротора суммарное усилие (Fрез), создаёт электромагнитный момент (М), который “увлекает” ротор за вращающимся магнитным полем, создаваемым обмотками статора.

Ротор вращается, если величина момента (М) достаточна для преодоления внутренних сил трения (подшипники, сопротивление воздуха и так далее), а также тормозного момента, приложенного к валу от приводимого во вращение механизма, если таковой имеется. Установившаяся частота вращения ротора (n2) зависит от соотношения вышеперечисленных сил и создаваемых ими моментов. Очевидно, что при этом будет выполняться соотношение:

0 ≤ n2 0 (или 100%≥ S >0%).

Но асинхронная электрическая машина может работать и в других режимах. Если её ротор разогнать до частоты превышающей частоту магнитного поля статора (то есть n2>n1) при помощи внешнего момента другого механизма (например механически соединить с двигателем, вал которого вращается быстрее), то изменятся направление ЭДС и активной составляющей тока в проводниках обмотки ротора, что вызовет переход машины в генераторный режим работы (рис.2,а). Электромагнитный момент (М), при этом, становится тормозящим изменив своё направление, а электрическая машина, получая механическую энергию от внешнего источника, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть, питающую обмотки статора. В генераторном режиме выполняются соотношения: n2>n1, S 0) изменить направление вращения магнитного поля статора (например, изменив схему подключения обмоток статора к питающей сети с помощью магнитных пускателей), так чтобы магнитное поле статора стало вращаться противоположно направлению вращения ротора, то машина перейдёт в режим электромагнитного торможения (рис.2,б). При этом, ЭДС и активная составляющая тока в проводниках обмотки ротора будут сохранять (до определённого момента) то же направление, что и в прежнем двигательном режиме. Машина будет продолжать получать энергию от питающей сети, но эта энергия будет направлена на торможение вращения ротора. Электромагнитный момент (М), в данном режиме, как результат взаимодействия электромагнитных сил, направлен против вращения ротора и является тормозящим.

Рис.2. Направление электромагнитного момента в асинхронной машине (а – при работе в генераторном режиме; б – при работе в режиме электромагнитного торможения).

На практике, асинхронные двигатели чаще всего работают в двигательном режиме, что, в свою очередь, довольно часто не исключает применений режима электромагнитного торможения электродвигателей.

Итого, кратко повторим, асинхронный электродвигатель работает только при наличии скольжения, то есть неравенстве частот n1 и n2. Только в этом случае в обмотках ротора сможет индуктироваться ЭДС, и как следствие, возникать электромагнитный момент. Поскольку ротор вращается не синхронно с полем статора, машину называют асинхронной.

Научная электронная библиотека

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

3.4. Экспериментальные исследования характеристик линейного асинхронного двигателя, применительно к режимам работы механизма подачи вращательно-подающего органа бурового станка

Для исследования адаптивного механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя для привода подачи рабочего органа бурового станка, разработан экспериментальный лабораторный образец электромагнитного механизма подачи бурового станка. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем представлена на рис. 3.22.

Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в которых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг массивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как показано на рисунке по одной или несколько, на каждую фазу. Таким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигателя. Для этого он оснащен динамометром для измерения усилия подачи, а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фазах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характеристик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.

Данный привод является линейной электрической машиной и имеет в своей основе статорную обмотку, подключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В. В качестве ротора используются стандартные трубы бурового става, состоящие из стали, обладающей ферромагнитными свойствами.

Рис. 3.22. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем

Конструкция линейного трехфазного асинхронного двигателя (рис. 3.22 и 3.23) является простой и технологичной. Его изготовление возможно как в условиях отдельного предприятия по изготовлению электрических двигателей, так и в условиях специально оборудованного цеха. Для производственной базы необходимы станки для токарных работ, станки для намотки проволоки обмоток, печь для сушки и обжига обмоток и других элементов. Двигатель может также состоять из нескольких секций, в каждую из которых уложено по одной обмотке. В этом случае перегоревшая обмотка может быть извлечена из обоймы и заменена достаточно быстро.

Рис. 3.23. Общий вид экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем

Читать еще:  Акпп не дает двигателю набирать обороты

В результате лабораторных исследований были получены механические характеристики линейной асинхронной машины с массивным ротором (рис. 3.24)

Рис. 3.24. Механическая характеристика линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором, при смешанном подключении
секций двигателя (Характеристика 1 получена при напряжении сети 380 В; характеристика 2 получена при напряжении сети 190 В)

Показанные на рис. 3.24 механические характеристики получены с использованием одной установки при подключении на разное напряжение сети. Таким образом, характеристику 1 имеет линейный двигатель с мощность 28 кВт, а характеристику 2 – двигатель с мощностью 13 кВт. В результате начальных испытаний выяснено, что для получения усилия подачи 200 и 300 кН в номинальном режиме двигатель с массивным ротором должен будет иметь ориентировочную мощность 50 и 75 кВт соответственно. При этом совершенствование конструкции ротора и применение регулирования частоты напряжения и скорости подачи позволит существенно снизить потребляемую мощность привода.

В результате проведенных испытаний выяснено, что при потребляемой мощности 6,35 кВт и нулевой скорости двигатель без ферромагнитного магнитопровода развивал усилие с учетом погрешности приборов 80–90 Н. Без нагрузки двигатель развивал линейную скорость 0,31 м/с. Наличие ферромагнитного магнитопровода, с учетом его магнитного насыщения, увеличивает эффективность электрического двигателя в несколько десятков раз.

Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия представлена на рис. 3.25.

Рис. 3.25. Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия

Асинхронная машина линейного действия имеет схожий вид механической характеристики. Отличие заключается в наличии краевых эффектов. Однако при условии применения в качестве массивного ротора трубы достаточно большой длины влияние краевого эффекта оказывает меньшее значение [57]. Активное r2 и индуктивное Xσ2 сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае f1 = 50 Гц при пуске (S = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только 3 мм, при S = 0,02 – около 20 мм, при S = 0,001 – около 100 мм [58]. Поэтому при пуске сопротивление r2 весьма велико и Xσ2 мало, а с уменьшением скольжения сопротивление r2 уменьшается, а Xσ2 – увеличивается.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик
Mп /Mн = 1,5–2 (рис. 3.26).

Однако двигатели малой мощности с массивными роторами при f1 = 50 Гц имеют низкие КПД и коэффициент мощности. Но с увеличением мощности растет также и КПД.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели с массивным ротором вполне могут применяться в качестве привода подачи рабочего органа бурового станка.

Поскольку двигатель в лабораторном стенде не имеет ферромагнитного магнитопровода, необходимо рассчитать номинальное подающее усилие в случае наличия магнитопровода, изготовленного из электротехнической стали. А затем найти мощность двигателя, способного создавать подающее усилие до 200 или 300 кН в зависимости от модели бурового станка. Для этого необходимо рассчитать магнитное сопротивление цепи в случае с магнитопроводом и без него.

Рис. 3.26. Механическая характеристика асинхронного двигателя с массивным ротором

Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода показана на разрезе тороидальной обмотки (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода:
1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1, l2, l3, l4 – участки магнитной цепи

Схема магнитной цепи обмотки статора с магнитопроводом показана на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором с магнитопроводом.
Здесь 1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1m, l2m, l3m, l4m, l5m, l6m – участки магнитной цепи с магнитопроводом

Магнитное сопротивление участка цепи определяется из следующего выражения [22, 23]

Гн–1,

где Rm – магнитное сопротивление участка цепи, Гн–1; l – длина участка магнитной цепи, м; μ0 – магнитная постоянная, Гн/м; μr – магнитная проницаемость вещества участка магнитной цепи; S – площадь поперечного сечения участка магнитной цепи, м2.

Магнитное сопротивление цепи без магнитопровода определяется следующим образом

Длины участков магнитной цепи без магнитопровода (рис. 3.27): l1 = 0,02 м; l2 = 0,06 м; l3 = 0,02 м; l4 = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [57] μr1 = 1 (воздух); μr2 = 1 (воздух); μr3 = 1 (воздух); μr4 = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.

Магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом из электротехнической стали определяется следующим образом

Длины участков магнитной цепи с магнитопроводом (рис. 3.28): l1m = 0,0005 м; l2m = 0,0195 м; l3m = 0,06 м; l4m = 0,0195 м; l5m = 0,0005 м; l6m = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [20] μr1m = 1 (воздух); μr2m = 7500 (электротехническая сталь); μr3m = 7500 (электротехническая сталь); μr4m = 7500 (электротехническая сталь); μr5m = 1 (воздух); μr6m = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.

Ориентировочное усилие, развиваемое двигателем, обмотки которого имеют магнитопровод, можно найти из соотношения:

При условии, что воздушный зазор 0,5 мм, при аналогичных размерах магнитопровода получим:

Таким образом, трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором, имеющий аналогичные размеры, оснащенный магнитопроводом будет развивать усилие в пределах 7766–8736,5 Н. Среднее значение усилия P1 = 8251 Н при потребляемой мощности 6,35 кВт.

Для получения усилия подачи 200 кН данный привод при минимальной рабочей скорости 15,5 см/с будет иметь ориентировочную мощность с учетом магнитных и электрических потерь 154 кВт. Однако скорость бурения в несколько раз меньше. При увеличении числа пар полюсов рабочая скорость кратно уменьшается, а мощность, необходимая для создания нужного усилия подачи кратно уменьшается.

Потребляемая мощность также может быть уменьшена:

1. Увеличением площади поперечного сечения и магнитной проницаемости магнитопровода.

2. Уменьшением магнитного сопротивления в воздушном зазоре.

3. Нанесением металлического слоя с высокой электрической проводимостью на поверхность массивного ротора.

4. Созданием пазов в теле массивного ротора.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработан электромагнитный адаптивный механизм подачи рабочего органа бурового станка. Расчетно-экспериментальным путем были получены механические характеристики электромагнитных механизмов подачи для разных величин максимального усилия подачи различных скоростей бурения (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Механические характеристики электромагнитных механизмов подачи с максимальным усилием подачи 200, 250, 300, 350, 400 кН
и различными скоростями бурения

Данные характеристики получены для линейных электродвигателей специальной конструкции, работающих от источника электроэнергии напряжением 660 В с коэффициентом запаса мощности 2,0, что позволяет без перегрева выдерживать колебания тока в обмотке статора. Кроме того, данные колебания тока сигнализируют без значительной задержки об изменениях физико-механических характеристик горной породы. Эти сигналы могут использоваться для определения количественных показателей, соответствующих определенным корректировкам усилия подачи, частоты вращения и производительности компрессора. Корректировки режимных параметров необходимы для поддержания производительности и прогнозируемого ресурса бурового инструмента в заданных пределах.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector