1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Асинхронный двигатель схемы графики

Торможение противовключением асинхронного двигателя с фазным ротором

При торможении противовключением изменяют порядок чередования фаз на статоре электродвигателя.
Тормозная характеристика асинхронного двигателя при торможении противовключением.

Допустим двигатель работал при моменте Mс в точке a естественной механической характеристики. В момент изменения порядка чередования фаз происходит бросок тока, и двигатель переходит работать в точку a’. Затем скорость двигателя начинает снижаться до нуля.

Отрезок a’b – участок тормозной характеристики асинхронного двигателя в режиме противовключения. В точке b статор двигателя нужно обязательно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Для крановых механизмов можно использовать еще один способ торможения противовключением. Он называется силовой спуск. Этот способ торможения осуществляется под действием производственного механизма, когда двигатель включается на подъем, а груз опускается под действием собственной силы тяжести. Этот режим можно выполнять только на искусственной реостатной характеристике с введенными сопротивлениями в цепь ротора.

3. Система управления трёхфазным двигателем (инвертор)

Выше, мы провели очень краткий обобщающий обзор по трёхфазному току и трёхфазному асинхронному двигателю. На самом деле, в электротехнике этот материал занимает очень большой раздел, с описанием всех физических процессов трёхфазной системы.

Как же работает асинхронный трёхфазный двигатель в бытовой стиральной машине, которая подключена к однофазной сети с переменным напряжением 220 вольт?

Для того, чтобы трёхфазный двигатель максимально эффективно работал в однофазной сети, применяют относительно сложный электронный преобразователь, который называют — инвертор. Структурная схема инвертора представлена ниже на (Рис.4).

Данный преобразователь имеет ярко выраженное звено постоянного тока. Переменное напряжение сети преобразуется при помощи диодного моста в постоянное, сглаживается индуктивностью (L) и ёмкостью (C), термистор (NTC) служит для защиты схемы от токовых перегрузок. Индуктивность и ёмкость в выпрямителе служат также фильтром, который защищает сеть от пульсаций при коммутации двигателя.

От переменной сети так же работает импульсный блок питания, который формирует пониженное постоянное напряжение различных значений для питания системы управления. С выхода выпрямителя постоянное напряжение поступает на силовую часть инвертора построенную на IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором ). На структурной схеме IGBT позиционированы как Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6. В корпус данных транзисторов интегрирован диод включённый между цепью эмиттера и коллектора, который защищает транзистор от излишних токовых перегрузок возникающих при коммутации обмоток электродвигателя.

В инверторе осуществляется преобрaзовaние постоянного нaпряжения в трехфaзное (или однофaзное) импульсное нaпряжение изменяемой aмплитуды и чaстоты. По сигнaлaм системы упрaвления, кaждaя обмоткa электрического двигaтеля подсоединяется через соответствующие силовые трaнзисторы инверторa к положительному и отрицaтельному полюсaм звенa постоянного токa. Сигналы управления поступают на затворы транзисторов с драйверов (микросхем управления) IR1, IR2, IR3.

Сигнал на драйверы приходит с цифрового сигнального процессора ( DSP-Digital signal processor ) системы управления. Такие процессоры специально разработаны для управления двигателями. Длительность подключения кaждой обмотки в пределaх периодa следовaния импульсов модулируется по синусоидaльному зaкону. Чем выше частота преключения транзисторов, тем выше скорость вращения ротора трёхфазного двигателя, поэтому этот метод управления двигателя называют частотным.

Читать еще:  Что такое топливо для двигателей технологического оборудования

Реверсивное вращение двигателя осуществляется за счёт изменения порядка включения транзисторов инвертора.

Алгоритм системы управления двигателем заложен в цифровом сигнальном процессоре.

Тахогенератор (Т) (Рис.4) расположенный на валу двигателя является звеном обратной связи между двигателем и блоком управления, благодаря чему, поддерживается необходимая стабильная скорость вращения двигателя на различных этапах работы стиральной машины. По сигналу с тахогенератора определятся дисбаланс барабана на стадии отжима, а в некоторых моделях стиральных машин происходит даже примерное взвешивание белья, за счёт сравнения характера сигналов тахогенератора при пустом и заполненным бельём барабане.

Подобные критерии сигналов тахогенератора, записаны в программе процессора системы управления двигателем или в микросхеме памяти блока управления.

В качестве дополнения, ко всему описанному в этом пункте, представим внешний вид и расположение некоторых компонентов инверторных блоков управления для стиральных машин.

Существует три основных вида:

1.Единый блок управления (инвертор и управление остальными элементами стиральной машины совмещены в общий модуль) (Фото 1)

2.Отдельный блок для управления 3-х фазным двигателем (Фото 2)

3.Блок управления (инвертор) расположен на самом двигателе

Фото 1. Единый блок управления стиральной машины Ariston

Анализ индукционного двигателя: Верификационная задача TEAM

В этой заметке мы рассмотрим задачу моделирования трёхфазного асинхронного двигателя, описанную как проблема №30a в Testing Electromagnetic Analysis Methods (TEAM) (от общества Compumag). Мы покажем, как моделировать асинхронный двигатель в 2D с использованием физического интерфейса Rotating Machinery, Magnetic (Магнитные вращающиеся механизмы) и решателя во временной области. Изучим динамику пуска двигателя, объединив электромагнитный расчёт с динамикой ротора, учитывая при этом инерционные эффекты. В конце мы сравним результаты моделирования в COMSOL Multiphysics с верификационными данными.

Проектирование асинхронного двигателя посредством моделирования

Трёхфазный асинхронный двигатель состоит из двух главных частей: неподвижной, называемой статором, и вращающейся, называемой ротором. Статор состоит из набора пластин электротехнической стали и трёхфазных обмоток, а ротор — из алюминия и стали. Трёхфазные обмотки, обозначенные A, B и C на рисунке ниже, в статоре смещены друг относительно друга на 120°. Каждая фаза обмотки охватывает 45° полного оборота. Обмотки разделяются воздушным зазором. Внешний диаметр статора — 5.7 см.


Конструкция трёхфазного асинхронного двигателя. Показаны основные части, размеры и конфигурации фаз.

По условиям задачи задаём плотность тока, равною 310 A/см 2 , что эквивалентно действующему значению тока Irms = 2045.175 на каждую обмотку. Двигатель работает на частоте 60 Гц. Магнитная проницаемость стали статора и ротора одинаковая — μr = 30. Электрическая проводимость стали статора — σ = 0 (шихтовка), ротора — σ = 1.6e6 См/м. Электрическая проводимость алюминиевой части ротора — σ = 3.72e7 См/м.

Читать еще:  Асинхронные двигатели как генераторы переменного тока

Моделирование динамики асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics

При построении геометрии асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics, необходимо создать два объединения (unions). Одно для элементов статора, второе для элементов ротора. Заключительным этапом создания геометрии является Построение сборки (Form Assembly), как описано в этом видео. Таким образом, между статором и ротором автоматически сгенерируются тождественные пары (identity pair).


Геометрическая последовательность для асинхронного двигателя. Геометрия финализируется путем создания сборки (операция Form Assembly) между объединениями для ротора и статора.

В таблице ниже приведены свойства материалов, которые используются в этой модели. Плотность материала не указана в исходном задании TEAM, поэтому полагаем, что плотность стали и алюминия ротора равна 7850 кг/м 3 и 2700 кг/м 3 соответственно. Значения плотности необходимы, чтобы вычислить момент инерции.

МатериалЭлектрическая проводимость (σ)Относительная проницаемость (μr)Плотность (ρ)
Сталь в роторе1.6e6 [См/м]307850 [кг/м^3]
Сталь в статоре0 [См/м]30Не требуется
Алюминий в роторе3.72e7 [См/м]12700 [кг/м^3]
Воздух0 [См/м]1Не требуется

Для моделирования электромагнитных полей в трёхфазном асинхронном двигателе будем использовать физический интерфейс Rotating Machinery, Magnetic. Так как все магнитные и электрические свойства материалов линейны, добавленный по умолчанию узел Ampère’s Law (Закон Ампера) оставляем без изменений.

Для моделирования трёзфазных обмоток будем использовать условие Homogenized Multi-turn Coil (Однородная многовитковая катушка). Число витков в обмотке равно n0 = 2045 . Каждый многожильный провод проводит ток порядка 1[A] , который смещён на 120° между фазами. Запишем выражения для каждой из фаз:

  1. I A = 1[A]*cos(w0*t)*sqrt(2)
  2. I B = 1[A]*cos(w0*t+120[deg])*sqrt(2)
  3. I C = 1[A]*cos(w0*t-120[deg])*sqrt(2)

Где, 1[A] — действующее значение тока. Чтобы получить амплитудное, умножаем на sqrt(2) .

В физическом интерфейсе Rotating Machinery, Magnetic с помощью узла Force Calculation (Расчёт Силы) можно сразу рассчитать электромагнитный момент, действующий на ротор. Добавив этот узел, при постобработке нам будут доступны пространственные компоненты магнитных сил ( rmm.Forcex_0 , rmm.Forcey_0 , rmm.Forcez_0 ) и осевого момента инерции ( rmm.Tax_0 ). Узел Force Calculation для расчёта силы просто интегрирует тензор напряжений электромагнитного поля (максвелловский тензор напряжений) по всей внешней выбранной границе или области. Так как метод основан на интегрировании поверхности, рассчитываемая сила зависит от размера сетки. При использовании этого метода для точного вычисления силы или момента важно всегда выполнять исследование по сеточной сходимости (mesh refinement study).

Есть другой способ расчёта момента — метод Арккио. Он заключается в объёмном интегрировании вектора плотности магнитного потока. В этом методе электромагнитный момент электрических вращающихся машин в 2D моделях может быть рассчитан из следующего уравнения.

Где r_o — это внешний радиус, r_i — внутренний радиус, S_ — площадь поперечного сечения воздушного зазора. B_r и B_phi — плотность магнитного потока в радиальном и азимутальном направлении, соответственно. Далее на скриншотах более подробно показано, как добавить расчёт по методу Арккио в модель в COMSOL Multiphysics.

Читать еще:  Что отвечает за обороты двигателя дизеля


Реализация метода Арккио для расчёта момента в асинхронном двигателе.

Моделирование динамики пуска двигателя с использованием физического интерфейса Global ODEs and DAEs

Вращательное движение ротора задаётся следующими двумя уравнениями:

где T_m — аксиальный электромагнитный момент ротора, T_L — момент на нагрузке, omega_m — угловая скорость ротора, phi — угловое положение ротора.

Эти уравнения задаются в двух разных узлах Global Equations в физическом интерфейсе Global ODE and DAEs (Глобальные ОДУ и ЛАУ), как показано на рисунке ниже.


Задание дифференциальных уравнений для угловой скорости и углового положения ротора в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs.

График изменения электромагнитного момента ротора в зависимости от времени (слева). Угловая скорость ротора (справа).

График электромагнитного момента в начале колеблется, а затем достигает максимального значения при 0,28 секунды. Затем уменьшается до нуля при достижении синхронной скорости при 0,4 секунды. При 0,5 секунды момент в нагрузке изменяется скачком (по заданному закону). Затем постепенно двигатель выходит на номинальный режим.

Сравнение результатов моделирования в COMSOL Multiphysics и результатов верификационной задачи TEAM

Чтобы сравнить электромагнитный момент, наводимое напряжение и потери в роторе с верификационной задачей TEAM №30a, мы создали такую же модель асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics в частотной области с использованием физического интерфейса Magnetic Fields (Магнитные поля). В данном интерфейсе вращательное движение задаётся узлом Lorentz term (сила Лоренца), который описывает движение. Вы можете скачать учебный пример трёхфазного асинхронного двигателя здесь.

Сравнение графиков зависимости аксиального момента от скорости двигателя (слева) и наводимого напряжения от скорости двигателя (справа).

Сравнение графиков зависимости потерь в роторе от скорости двигателя (слева) и потерь в стали от скорости двигателя (справа).

Дополнительные ресурсы по моделирования двигателей в COMSOL Multiphysics

  • Начните моделировать асинхронные двигатели, ознакомившись со следующими учебными примерами:
    • Трёхфазный асинхронный двигатель: Рабочая тестовая модель TEAM №30
    • Динамика асинхронного двигателя в 2D
    • Верификационная проблема TEAM №30a: Анализ асинхронного двигателя
  • Чтобы узнать больше о моделировании вращающихся машин, прочтите следующие статьи:
    • Как моделировать вращающиеся машины в 3D
    • Рекомендации по моделированию вращающихся машин в 3D
  • Следите за нашим блогом по проектированию Электромагнитных устройств

Рубрики блога

Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.

Рекомендуемые публикации

Какой тип исследования использовать для проведения численного электротермического анализа?

Построение мультифизической модели для описания задачи магнитной гидродинамики в COMSOL®

Мультифизический анализ термического микроактуатора

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector