Об особенностях электродвигателей с повышенным скольжением
Скольжение —это важная характеристика асинхронного электродвигателя, которая определяется как относительная разность скоростей вращения ротора и изменения переменного магнитного потока, создаваемого обмотками статора двигателя переменного тока. Измеряется в относительных единицах и в процентах.
Асинхронные трехфазные двигатели с повышенным скольжением
Двигатели специального назначения с повышенным скольжением строятся на базе унифицированных общепромышленных двигателей, а в маркировку добавляется буква «С» после названия серии (АИРС, АС, 5АС, АДМС, 4АС.). Габаритно-присоединительные размеры двигателей с повышенным скольжением соответствуют аналогичным размерам общепромышленных. Скольжение при номинальной нагрузке у этих электродвигателей выше, чем у базовых, а критическое скольжение составляет около 40%.
Повышенное скольжение достигается двумя способами: занижением индукции путём увеличения витков в обмотке статора или (чаще всего) применением роторной обмотки, усиленной специальным сплавом, имеющим повышенное сопротивление. Если объяснять очень упрощенно, то чем больше сопротивление обмотки ротора, тем ток в роторе меньше и магнитное поле, создаваемое током в этой обмотке, тоже становится меньше. Это и обуславливает повышенное скольжение, магнитное поле статора как бы слабее «цепляет» ротор с ослабленным магнитным полем.
Применение двигателей с повышенным скольжением
Главным достоинством агрегатов повышенного скольжения является возможность работать с большими нагрузками, с неравномерной пульсирующей (ударной) нагрузкой, а также в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками и остановками (режимы S2, S3, S4, S6). В таких условиях обычных стандартный двигатель может перегореть, т.к. он предназначен для работы с редкими остановками и пусками. В остальном подобные электродвигатели имеют практически полное сходство со стандартными моделями общепромышленных двигателей.
Электродвигатели с повышенным скольжением используются для привода механизмов с пульсирующей нагрузкой (например, поршневые компрессоры малой мощности) и с ударной нагрузкой (молоты, прессовое оборудование), а также для привода подъемно-транспортных машин.
Что нужно знать о скольжении асинхронного двигателя
Одним из основных электромоторов в мире является асинхронный двигатель. Чтобы его использовать в качестве привода, надо понимать, как поведет себя одна из главных переменных характеристик при пуске, изменении нагрузки на валу, колебании электронапряжения и частоты. Этот параметр называется скольжением электродвигателя.
Устройство и принцип работы
Двигатель переменного электротока, в котором скорость вращения ротора меньше скорости вращающегося электромагнитного поля статора, называется асинхронным.
Обмотки статора подключаются к сети синусоидального трехфазного электротока, после чего электромагнитный поток начинает вращаться и пересекает замкнутые токопроводящие витки подвижной части мотора. Под действием наведенной в них ЭДС возникает переменный электроток. Он создает свое магнитное поле, которое заставляет вращаться ротор с асинхронной скоростью следом за полем статора.
Статор представляет собой набранный из изолированных листов электротехнической стали корпус, в который различным способом уложены обмотки возбуждения. Ротор тоже шихтуется из изолированных листов. Они имеют пазы, в которых закрепляются штыри короткозамкнутого ротора или укладывается фазная обмотка. На концах вала ротора расположены подшипники, вставленные в торцевые крышки статора.
Короткозамкнутый ротор (его также называют «беличьей клеткой») состоит из набора стержней из алюминия или меди. По торцам они закольцованы вместе. Это наиболее простая и распространенная конструкция АД.
Мотор, ротор которого содержит 3-х фазную обмотку, называется фазным. Полноценные изолированные витки трех обмоток концами соединены вместе, а их начала выведены на контактные кольца. При помощи щеточного скользящего контакта катушки выведены на внешнее управление.
Что такое скольжение АД
Создание вращающегося магнитного поля (МП) в неподвижной части электрической машины происходит за счет разнесенных на 120 градусов по окружности корпуса витков 3-х катушек. Они образуют одну пару полюсов (p), на практике их может быть больше. Обмотки соединяются «треугольником» или «звездой». Запитываются они от трехфазной сети переменного электротока.
Электроток, сдвинутый по фазе на 120 градусов, протекая по размещенным по окружности виткам 3-х катушек, создает вращающееся МП с синхронной частотой:
Вращающееся МП, пересекая набор замкнутых токопроводящих витков подвижной части машины, создает в них ЭДС. Образовавшаяся в замкнутых рамках ротора электродвижущая сила способствует возникновению переменного электротока, воспроизводящего свое вращающееся электромагнитное поле.
Подвижная часть машины начинает вращаться вслед за вращающимся полем со скоростью n2 (об/мин), стремясь засинхронизировать свое электромагнитное поле с вращающимся полем неподвижной части, то есть, достичь скорости n1 (об/мин). Величина разницы скоростей в относительных единицах или процентах называется коэффициентом скольжения (S):
Асинхронная скорость n2 при нормальной эксплуатации электродвигателя всегда меньше синхронной скорости n1, поэтому скольжение асинхронного двигателя меньше единицы и ста процентов.
Зависимость режимов работы мотора от скольжения
Для АД скольжение рассматривается:
- В режиме холостого хода (ХХ);
- при номинальном значении нагрузки;
- генераторном применении;
- критической нагрузке;
- во время пуска.
Асинхронная скорость n2 в режиме ХХ при отсутствии нагрузки на валу практически равна синхронной скорости вращения электромагнитного поля статора n1. Скольжение в этом случае будет не более 3% и даже в режиме идеального ХХ (если пренебречь трением в подшипниках), оно не будет нулевым.
При номинальном напряжении и нагрузке скольжение S находится в диапазоне 2–8% для большинства моторов. Номинальная скорость или скольжение указываются на шильдике асинхронного двигателя. По ним строится график механической характеристики.
В генераторном режиме скольжение может быть отрицательным, то есть, меньше 0. Ротор в этом случае вращается под действием механической силы навстречу вращающемуся электромагнитному полю статора.
С увеличением нагрузки на валу мотора увеличивается момент торможения, вследствие чего увеличивается и скольжение. При этом растет электроток, наводимый в роторе, наряду с моментом вращения. При небольших нагрузках между моментом и скольжением наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Но рост скольжения способствует возрастанию активных потерь в роторе, снижающих наводимый электроток. По этой причине момент увеличивается с меньшей скоростью, чем скольжение, а при определенном значении последнего момент становится максимальным и начинает снижаться. Скольжение, соответствующее максимальному моменту, называется критическим.
При пуске мотора асинхронная скорость равняется нулю, скольжение — единице, электроток в двигателе максимальный, а значение момента вращения вала выше значения момента торможения нагрузки. С увеличением скорости вращения МП ротора скольжение уменьшается, а когда скорость достигает своего номинального значения, устанавливается нормальный режим.
Из графика видно, что скольжение мотора меняется от 0 до 1. До того момента, пока не возникнет критическое скольжение, мотор работает устойчиво, а в промежутке от Sкр до 1 возникает неустойчивый режим, который зависит от характера и величины нагрузки на валу. Для управления в этом диапазоне применяют либо переключение «звезда-треугольник», либо фазный ротор, либо частотное регулирование.
Способы измерения
Измерение скольжения в двигателе должно осуществляться согласно требованиям ГОСТ 7217–89 с помощью амперметра постоянного тока, катушки индуктивности или стробоскопического эффекта.
Основная задача — подсчитать количество полных N отклонений стрелки от 0 за период времени T. После того, как нашли данный параметр, можно определить частоту электротока ротора:
Затем по соотношению частоты электротока статора и ротора следует найти скольжение:
Косвенными методами при использовании электромагнитной катушки или стробоскопического эффекта определяют количество оборотов ротора К за период времени Т (сек). Затем вычисляется скольжение. Для этого используется формула:
При больших значениях скольжения для измерения применяются тахогенераторы или тахометры, установленные на валу двигателя.
Понятие скольжения асинхронного двигателя
Скольжение может изменяться. Это зависит о того, в каком режиме работает электродвигатель, величины напряжения сети и нагрузки на машину. Но что же это за характеристика и от чего она зависит? Разберемся ниже!
Что представляет собой скольжение асинхронной машины
В целом, принцип, по которому происходит работа трехфазного мотора очень прост. К обмотке статора подают напряжение, питающее движок. Благодаря ему появляется магнитный поток, смещенный на 120 градусов в каждой из трех фаз. А тот поток, который носит имя суммирующего будет еще и вращающимся.
Обмотка якоря – замкнутый контур. В ней появляется электродвижущая сила (ЭДС), а магнитный поток, возникающей не без ее помощи, приводит ротор в работу: он начинает вращаться. Электромагнитный момент всегда будет пытаться сравнять темпы двух полей главных элементов привода: статора и ротора.
Величина, которая определяет разницу между скоростями вращения вышеописанных магнитных полей и есть то самое скольжение. Мы все знаем, что ротор никогда не будет поспевать за статором, значение это никогда не будет больше единицы. Измерение можно проводить как в процентах, так и в относительных величинах.
Чтобы рассчитать величину скольжения (S), нужно знать показатель частоты, с которой вращается магнитное поле (n1) и частоту, с которой вращается магнитное поле в роторе. Формула, по которой производится расчет, выглядит так:
Скольжение – чрезвычайно важная характеристика мотора. Она описывает то, насколько исправна работа машины.
Скольжение в разных условиях работы привода
Если режим работы агрегата – холостой, искомый показатель всегда будет близок к нулевому значению или, по крайней мере, не превысит 3%. Это связано с тем, что n1 будет практически равен n2. Несмотря на то, что значение всегда близко к нулю, нулевым оно быть не может, потому что поля ротора и статора не пересекаются. Другими словами, вращение мотора отсутствует, как и подача на него напряжения.
Скольжение (если считать его в процентах) не будет нулевым даже в том случае, когда электродвигатель находится в режиме идеального холостого хода. Зато, если агрегат запущен в режиме генератора, S может быть отрицательным.
Такой режим (в нем ротор вращается противоположно относительно статора) будет показывать S, значениям бывают разными, но изменяются только в следующих пределах:
Надо отметить, что есть также электромагнитное торможение или противовключение якоря. В таком случае скольжение может быть больше, чем единица и положительным.
Рисунок 1
Частота тока в катушках якоря (f1) равна частоте сетевого тока, но только при пуске агрегата. Если нагрузка номинальная, то частоту электротока (f2) можно высчитать по формуле ниже:
Якорный ток имеет прямую зависимость от его индуктивного сопротивления. Это значит, что электроток в якоре зависит от скольжения асинхронного электромотора. Момент вращения агрегата также зависит от S. Его определяют показатели магнитного потока, угла сдвига между электродвижущей силой и якорным электротоком.
Как видно из всего вышесказанного, чтобы провести детальное исследование всех параметров электропривода, нужно установить зависимость. Она схематически изображена на рисунке 1.
Это, в свою очередь, означает, что если ввести в якорную цепь асинхронного двигателя, ротор которого фазный, дополнительное сопротивление, можно регулировать изменение момента в нем, если значения скольжения S различны.
Если ротор в приводе короткозамкнут, момент можно регулировать с использованием преобразователя частоты или двигателя с переменными параметрами.
Если нагрузка на электродвигатель номинальная, S будет равно значениям от 8% до 2%. Это скольжение будет носить название номинального.
Увеличивая нагрузку на вал ротора (то есть момент), будет происходить пропорциональное увеличение величины скольжения.
Выражаясь проще, можно сказать, что роторное магнитное поле никогда не будет быстрее статорного. То есть первое будет тормозить.
Увеличивая скольжение, вы, конечно, добьетесь пропорционального роста тока в якоре. И момент, естественно, тоже вырастет. Но нужно всегда учитывать, что вместе с этим будут расти и активные потери ротора (то есть произойдет увеличение сопротивления). Это повлияет на снижение силы тока и уменьшение коэффициента мощности. Результат: рост момента будет медленнее, чем скольжения.
Критическое скольжение – максимальная величина момента, которой можно достигнуть при определенном S. После того, как момент станет максимальным, он начнет идти на убывание. Обозначаю показатель, как правило, через Sкр.
Механическая характеристика, в своем графическом проявлении, выглядит следующим образом:
В данном выражении (его еще называют формулой Клосса) используется величина критического момента (Мк). Его и определяет величина критического скольжения.
График строят, основываясь на характеристиках из документов асинхронной машины. Все вопросы, возникающие по поводу асинхронного агрегата, работающего в режиме движка, решают с помощью данного графика.
Величина допустимого значения мгновенного перегруза электромотора определяется критическим моментом. В случае развития еще более критического М (и, конечно же, увеличения Sкр), можно наблюдать опрокидывание агрегата. Когда это происходит, машина просто перестает работать и выключается. Это аварийный режим.
Как можно измерить показатель S?
Для измерения скольжения в электрическом двигателе асинхронного типа есть несколько подходов. При значительной разнице частоты работы от синхронной, S измеряют тахометром или тахогенератором. Это специальный прибор, подключенный к валу электропривода.
Стробоскопический метод. В этом варианте используют неоновую лампу. Замеры можно произвести только в случае, когда скольжение не превышает пяти процентов. На вал движка нужно нанести черту с помощью мелка. Вместе этого можно установить стробоскопический диск. Затем на них светят лампой и считают, сколько раз вал сделал оборот за какой-либо отрезок времени. Окончательные расчеты проводят с помощью специальных формул. В этом методе допустимо использование самого обычного стробоскопа. Его пример приведен ниже.
Третий способ найти скольжение – индуктивная катушка. Как это сделать? Возьмите катушку от электромагнитного реле (контактор) постоянного тока. Она подойдет лучшего всего, так как на ней достаточно много витков, около 20 000. А для таких замеров их требуется не менее 3000. Подключите к катушке точный милливольтметр (он подойдет из-за своей чувствительности). Затем расположите катушку там, где заканчивается вал якоря.
После этого нужно посчитать число совершенных колебаний и по специальной формуле определить скольжение.
Кстати, если ротор у асинхронного мотора фазный, то S можно вычислить, используя магнитоэлектрический амперметр. Устройство подключают к любой их трех фаз в якоре, считают количество колебаний стрелки (за какое-то время) и считают нужный показатель по той формуле, которую используют в методе с катушкой индуктивности.
Скольжение асинхронного двигателя
В результате взаимодействия магнитного поля с токами в роторе асинхронного двигателя создается вращающий электромагнитный момент, стремящийся уравнять скорость вращения магнитного поля статора и ротора.
Разность скоростей вращения магнитного поля статора и ротора асинхронного двигателя характеризуется величиной скольжения s = (n 1 — n 2 ) / n 1, где n 1 — синхронная скорость вращения поля, об/мин, n2 — скорость вращения ротора асинхронного двигателя, об/мин. При работе с номинальной нагрузкой скольжение обычно мало, так для электродвигателя, например, с n 1 = 1500 об/мин, n2 = 1 460 об/мин, скольжение равно: s = ((1500 — 1460) / 1500) х 100 = 2,7%
Асинхронный двигатель не может достичь синхронной скорости вращения даже три отсоединенном механизме, так как при ней проводники ротора не будут пересекаться магнитным полем, в них не будет наводиться ЭДС и не будет тока. Асинхронный момент при s = 0 будет равен нулю.
В начальный момент пуска в обмотках ротора протекает ток с частотой сети. По мере ускорения ротора частота тока в нем будет определяться скольжением асинхронного двигателя : f2 = s х f1, где f1 — частота тока, подводимого к статору.
Сопротивление ротора зависит от частоты тока в нем, причем чем больше частота, тем больше его индуктивное сопротивление. С увеличением индуктивного сопротивления ротора увеличивается сдвиг фаз между напряжением и током в обмотках статора.
При пуске асинхронных двигателей коэффициент мощности поэтому значительно ниже, чем при нормальной работе. Величина тока определяется эквивалентным значением сопротивления электродвигателя и приложенным напряжением.
Величина эквивалентного сопротивления асинхронного двигателя с изменением скольжения изменяется по сложному закону. При уменьшении скольжения в пределах 1 — 0,15 сопротивление увеличивается, как правило, не более чем в 1,5 раза, в пределах от 0,15 до s н ом в 5-7 раз по отношению к начальному значению при пуске.
Ток по величине изменяется обратно пропорционально изменению эквивалентного сопротивления Таким образом, при пуске до скольжения порядка 0,15 ток опадает незначительно, а в дальнейшем быстро уменьшается.
Момент вращения может быть также определен по электромагнитной мощности на валу как отношение этой мощности к угловой скорости ротора. Величина момента пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональная квадрату частоты.
Характерными значениями момента в зависимости от скольжения (или скорости) являются начальное значение момента (когда электродвигатель еще неподвижен), максимальное значение момента (и соответствующее ему сколь жение, называемое критическим) и минимальное значение момента в пределе скоростей от неподвижного состояния до номинальной .
З начения момента для номинального напряжения приводятся в каталогах для электрических машин. Знание минимального момента необходимо при расчете допустимости пуска или самозапуска механизма с полной нагрузкой механизма. Поэтому его значение для конкретных расчетов должно быть либо определено, либо получено от завода-поставщика.
Величина максимального значения момента определяется индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора и не зависит от величины сопротивления ротора.
Зависимость тока и момента от скольжения
Критическое скольжение определяется отношением сопротивления ротора к эквивалентному сопротивлению (обусловлено активным сопротивлением статора и индуктивным сопротивлением рассеяния статора и ротора).
Увеличение только активного сопротивления ротора сопровождается увеличением критического скольжения и перемещением максимума момента в область более высоких скольжений (меньшей скорости вращения). Таким путем может быть достигнуто изменение характеристик моментов.
Изменение скольжения возможно увеличением сопротивления цени ротора или потока. Первый вариант осуществим только для асинхронных двигателей с фазным ротором (от S = 1 до S = Sном ) , но не экономичен. Второй вариант осуществим при изменении питающего напряжения, но только в сторону уменьшения. Диапазон регулирования мал, так как S возрастает, но одновременно уменьшается перегрузочная способность асинхронного двигателя. По экономичности оба варианта, примерно, равноценны.
В асинхронных двига т елях с фазным ротором изменение момента при различных скольжениях осуществляется с помощью сопротивления, вводимого в цепь обмотки ротора. В асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором изменение момента может быть достигнуто за счет применения двигателей с переменными параметрами или с помощью частотных преобразователей .
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!