Асинхронная машина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема№9: “Асинхронная машина”

Содержание

1. Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором

2. Вращающиеся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля

3. Принцип действия асинхронного двигателя. Скольжение

4. Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе

асинхронный двигатель магнитное поле

1. Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть - статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитного провода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитного провода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120^?.

Фазы обмотки можно соединить по схеме ''звезда'' или "треугольник" в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 V, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220 V, то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 V.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120^?.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

2. Вращающиеся магнитное поле. Частота вращения магнитного поля

Принцип получения вращающегося магнитного поля. В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи. Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.1) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид.

Графики токов представлены на рис.1.1. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.

Рис. 1. Рис. 1.1

Как видно из рис. 1.1, в момент времени to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С - отрицательный.

Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом право ходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 1.2, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрез расположена горизонтально.

Рис 1.2

На рис. 1.2, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол = 60°. В этот момент времени токи в фазах А и В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С - отрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°. Если угловая частота тока , то . (Здесь , где - частота тока в сети). В моменты времени t₂ и t₃ ось магнитного поля соответственно повернется на углы и (рис.1, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 1.2, д) ( ()). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой n₁=60f₁=60•50=3000 об / мин (f₁=50 Гц - промышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

где Вт - максимальная индукция одной фазы; Вmрез - максимальная индукция трех фаз; - угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.

Направление вращения поля. В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 1.3).

Формула частоты вращения поля. Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 1.4, поле за один период повернется в пространстве на 180°.

Рис. 1.3 Рис. 1.4 Рис. 1.5

Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n₁ = 60f₁ / p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.1.5.

Здесь р = 3 и, следовательно, n₁ = 1000 об/мин.

Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет

n₁ = 60 f₁ / p

Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р = 1, 2 и 3 при f₁= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Рис. 1.6

Параллельное соединение катушек. Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.1.6,а и в развернутом виде на рис. 1.6,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n₁ = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в в сети 50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения

п₁ = 60 f₁ / p = 60 •50 / p.

Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

3. Принцип действия асинхронного двигателя. Скольжение

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p, т. е. щ₁=2рf/p

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим магнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора щ₂ не равна угловой скорости магнитного поля щ₁, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля щ₁ и ротора щ₂: s=(щ1-щ2)/щ1

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины. Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: щ2=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью щ2>щ1 в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1ч0), генераторный (s=0ч-?) режимы и режим противовключення (s=1ч+?). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

4. Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе

Момент, развиваемый двигателем равен электромагнитной мощности, деленной на синхронную скорость вращения электропривода.

M = Pэм/щ₀

Электромагнитная мощность - это мощность, передаваемая через воздушный зазор от статора к ротору, и она равна потерям в роторе, которые определяются по формуле:

Pэм = m * I₂² * (r2'/s)

m - число фаз.

M = Mэм = (Pm/щ0) * (I₂')² * (r₂'/s)

Электромеханической характеристикой асинхронного двигателя является зависимость I2' от скольжения. Но так как асинхронная машина работает только в качестве электродвигателя, основной характеристикой является механическая характеристика.

M = Mэм = (Pm/щ₀) * (I₂')² * (r₂'/s)

- упрощенное выражение механической характеристики.

Подставив в это выражение значение тока, получим:

M = [P*3*Uф²*(r₂'/s)] / [щ0*[(r₁ + r₂'/s)² + (x₁ + x₂')²]]

Будем считать, что m=3.

Щ = щ₀/p

Вместо щ0 нужно подставить механическую скорость, в результате чего число пар полюсов сокращается.

M = [3*Uф²*(r₂'/s)] / [щ0*[(r₁ + r₂'/s)² + (x₁ + x₂')²]]

- это уравнение механической характеристики асинхронного двигателя.

При переходе асинхронного двигателя в генераторный режим, скорость вращения щ > щ₀ и скольжение становится отрицательным (s Когда скольжение изменяется от 0 до +?, режим называется «режимом электромагнитного тормоза».

Задаваясь значениями скольжения от о до +?, получим характеристику:

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя.

Как видно из механической характеристики, она имеет два экстремума: один на отрезке изменения скольжения на участке от 0 до +?, другой на отрезке от 0 до -?.

dM/ds=0

Mmax = [3*Uф²*(r₂'/s)] / [2щ0*[r₁ ± v(r₁² + (x₁ + x₂')²)]]

+ относится к двигательному режиму.

- относится к генераторному режиму.

Mmax=Mкр

Mкр - критический момент.

Скольжение, при котором момент достигает максимума, называется критическим скольжением, и оно определяется по формуле:

sкр = ±[r₂'/(x₁+x₂')]

Критическое скольжение имеет одинаковое значение и в двигательном и в генераторном режимах.

Величину Mкр можно получить, подставив в формулу момента значение критического скольжения.

Момент при скольжении равном 1 называется пусковым моментом. Выражение для пускового момента можно получить, подставив 1 в формулу:

Mп = [3*Uф²*r₂'] / [щ₀*[(r₁ + r₂')² + (x₁ + x₂')²]]

Поскольку знаменатель в формуле момента максимального на несколько порядков больше Uф, принято считать Mкр?Uф².

Критическое скольжение зависит от величины активного сопротивления обмотки ротора R₂'. Момент пусковой, как видно из формулы, зависит от активного сопротивления ротора r₂'. это свойство пускового момента используется в асинхронных двигателях с фазным ротором, у которых пусковой момент увеличивают путем введения активного сопротивления в цепь ротора.

Список использованной литературы

1. Яцкевич В.В-Электротехника из-во “Ураджай” Минск 1976. 276 с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Уч. пособ. 5-е изд. дополн. в 2- х томах. 1995 год.

Размещено на Allbest.ru