Рассчитать и построить естественную механическую характеристику двигателя

Расшифруем тип заданного двигателя – «4A355S12У3»
Буквы и цифры, входящие в обозначение электродвигателя, расшифровываются следующим образом:
1. (4) – номер серии.
2. (А) – обозначает, что двигатель асинхронный.
3. Три последующие цифры указывают высоту оси вращения – 355 мм.
4. Буква (S) обозначает установочные размеры по длине станины (S – короткая).
5. Последующие цифры (12) означают число полюсов (число пар катушек на фазу). p=6 пар полюсов.
6. Конечные буквы и цифры указывают на климатическое исполнение и категорию размещения:
климатическое исполнение У – умеренный климат;
категория размещения 3 – закрытое помещение.
Поскольку число пар полюсов может быть только целым, то скорость вращения магнитного поля n0 может принимать не произвольные, а только определенные значения:
скорость вращения магнитного поля статора принимаем ближайшую к номинальной частоте:
nНОМ=490 обмин
n0=500 обмин
Число пар полюсов двигателя p
p=60*fСЕТИn0=60*50500=6
p=6 пар
В результате взаимодействия магнитного поля с токами в роторе асинхронного двигателя создается вращающий электромагнитный момент, стремящийся уравнять скорость вращения магнитного поля статора и ротора.
Относительная разность скоростей вращения ротора и изменения переменного магнитного потока, создаваемого обмотками статора двигателя переменного тока характеризуется величиной скольжения.
Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах:
sНОМ=n0-nНОМn0=500-490500=0,02
sНОМ=0,02
sНОМ=n0-nНОМn0*100%=500-490500*100%=0,02*100%=2%
sНОМ=2%
Вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами в проводниках обмотки ротора. 
На ротор и полюсы статора действуют электромагнитные вращающие моменты, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны.
Номинальный момент – значение момента, создаваемое электромагнитным полем на валу двигателя при номинальных параметрах двигателя и номинальных внешних условиях.
Вращающий момент связан с мощностью через угловую скорость следующим образом:
MНОМ=PНОМω=PНОМ2*π*f0=PНОМ2*π*nНОМ60=30*PНОМπ*nНОМ=9,549*PНОМnНОМ
MНОМ=9,549*75000490=9,549*75000490=1461,582
MНОМ=1461,582 Н∙м
Максимальный вращающий момент (критический момент) асинхронного двигателя находим из соотношения (перегрузочная способность двигателя):
MMAXMНОМ=1,8
MMAX=1,8*MНОМ=1,8*1461,582=2630,848
MMAX=2630,848 Н∙м
В случае если момент нагрузки превысит величину критического момента, то двигатель остановится.
Вращающий момент, развиваемый на валу асинхронного электродвигателя в условиях нулевой скорости вращения ротора (когда ротор еще неподвижен) и установившегося в обмотках статора тока – называется пусковым моментом асинхронного двигателя.
Пусковой момент называют еще моментом трогания или начальным моментом.
Определить пусковой момент асинхронного двигателя можно из отношения пускового момента к номинальному моменту:
MПУСКMНОМ=1,0
MПУСК=1,0*MНОМ=1,0*1461,582=1461,582
MПУСК=1461,582 Н∙м
Активная (потребляемая) мощность двигателя P1 НОМ всегда больше отдаваемой PНОМ, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением.
Активная мощность, потребляемая двигателем из сети при номинальной нагрузке:
P1 НОМ=PНОМηНОМ=750000,915=81967
P1 НОМ=81967 Вт=81,967 кВт
Номинальный ток электродвигателя, при котором возможна его длительная работа, связан с номинальной мощностью устройства и его КПД следующим выражением:
IНОМ=PНОМ3*UСЕТИ*cos φ*ηНОМ=750001,732*380*0,76*0,915=163,868
IНОМ=163,868 А
Пусковой ток – это ток, который потребляет электродвигатель во время пуска. рассчитать пусковой ток можно, зная номинальный ток и коэффициент кратности пускового тока:
IПУСКIНОМ=6
IПУСК=6*IНОМ=6*163,868=983,208
IПУСК=983,208 А
Расчет пускового тока, пускового и максимального момента при понижении напряжения в питающей сети на 10 % (IПУСК';MПУСК';MMAX':
Учитывая, что пусковой ток можно приближенно считать пропорциональным первой степени напряжения сети, получим:
IПУСК'=IПУСК*0,9=983,208*0,9=884,887
IПУСК'=884,887 А
Вращающий момент на валу двигателя пропорционален квадрату напряжения:
MПУСК'=0,92*MПУСК=0,81*1461,582=1183,881
MПУСК'=1183,881 Н∙м
MMAX'=0,92*MMAX=0,81*2630,848=2130,987
MMAX'=2130,987 Н∙м
Механическая характеристика асинхронного двигателя.
Механической характеристикой асинхронного двигателя называют зависимость частоты вращения ротора от вращающего электромагнитного момента.
Механическая характеристика называется естественной, если она соответствует номинальному напряжению, номинальной частоте и отсутствию внешних сопротивлений в цепях обмоток.
Рассчитаем критическое скольжение.
Критическое скольжение асинхронного двигателя – скольжение, при котором асинхронная машина развивает максимальный вращающий момент:
sкр=sНОМ*MMAXMНОМ+MMAXMНОМ2-1
sкр=0,02*1,8+1,82-1=0,02*1,8+1,497=0,0659
sкр=0,0659
Для построения характеристики в координатах переходят от скольжения к числу оборотов .
Частоту вращения выразим из формулы для определения скольжения:
n=n0*1-s
Определим основные характерные точки.
1) Точка холостого хода sхх=0 :
nхх=n0*1-sхх=500*1-0=500
nхх=500 обмин
Mхх=0
2) Точка номинального режима sНОМ=0,02 :
nНОМ=490 обмин
MНОМ=1461,582 Н∙м
3) Точка критического режима sкр=0,0659:
nкр=n0*1-sкр=500*1-0,0659=467
nкр=467 обмин
Mкр=MMAX=2630,848 Н∙м
4) Точка пускового режима sпуск=1 :
nпуск=n0*1-1=500*1-1=0
nпуск=0
с помощью упрощенной формулы Клосса
M=2*Mкрssкр+sкрs=2*2630,84810,0659+0,06591=345,246
Mпуск=345,246 Н∙м
Мы определили основные точки характеристики, но для её построения их недостаточно.
Поэтому с помощью упрощенной формулы Клосса, рассчитаем моменты для других значений скольжений.
Для удобства составим таблицу.
Таблица 2– Таблица параметров естественной механической характеристики двигателя
Характерные точки Скольжение Вращающий электромагнитный момент Частота вращения
s
M=2*Mкрssкр+sкрs
n=n0*1-s
отн. ед.
Н∙м
обмин
Точка холостого хода 0 0 500
Точка номинального режима 0,02 1461,582 490
Точка критического режима 0,0659 2630,848 467
Точка пускового режима 1 345,246 0
Дополнительные точки 0,1 2417,558 450
0,2 1563,932 400
0,3 1102,614 350
0,4 843,957 300
0,5 681,65 250
0,6 571,021 200
0,7 490,999 150
0,8 430,511 100
0,9 383,218 50
Рисунок 1 – Естественная механическая характеристика двигателя
Релейно-контакторная схема управления асинхронным двигателем в реверсивном приводе.
Основным элементом этой схемы является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактора КМ1 и КМ2 и два тепловых реле защиты КК.
Такая схема обеспечивает пуск и реверс АД, а также торможение АД противовключением при ручном (неавтоматическом) управлении.
В этой схеме предусмотрена защита от перегрузок АД (реле КК) и коротких замыканий в цепях статора (автоматический выключатель QF) и управления (предохранители FA).
Рисунок 2 – Релейно-контакторная схема управления асинхронным двигателем в реверсивном приводе
Кроме того, в ней обеспечивается и нулевая защита от исчезновения (снижения) напряжения сети (контакторы КМ1 и КМ2).
Пуск двигателя в условных направлениях «Вперед» или «Назад» осуществляется нажатием соответственно кнопок «Пуск 1» или «Пуск 2», что приводит к срабатыванию контакторов К 1 или К 2 и подключению АД к сети (при включенном автоматическом выключателе QF).
Для обеспечения реверса или торможения двигателя сначала нажимается кнопка «Стоп», что приводит к отключению включенного до тех пор контактора (например, КМ1), а затем – кнопка «Пуск 2»,, что приводит к включению контактора КМ2 и подаче на АД напряжения питания с другим чередованием фаз. После этого магнитное поле двигателя изменяет свое направление вращения и начинается процесс реверса, состоящий из двух этапов – торможения противовключением и разбега в противоположную сторону.
В случае необходимости только затормозить двигатель при достижении им нулевой скорости следует вновь нажать кнопку «Стоп», что приведет к отключению его от сети и возвращению схемы в исходное положение.
Если же кнопку «Стоп» не нажимать, последует разбег АД в другую сторону, то есть его реверс.
Во избежание короткого замыкания в цепи статора, которое может возникнуть в результате одновременного ошибочного нажатия кнопок SB1 и SB2, в реверсивных магнитных пускателях иногда предусматривается специальная механическая блокировка