Асинхронные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Асинхронные двигатели



1. Устройство и принцип действия асинхронных двигателей

Асинхронные машины -- наиболее распространенные элек трические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

В настоящее время асинхронные электро двигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Устройство асинхронных двигателей. Неподвижная часть асинхронного двигателя называется статором, а подвижная - ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечники машин малой мощности иногда собираются из листов без лакового покрытия, так как в этом случае достаточной изоляцией является естественный или искусственно созданный слой окислов на поверхности листов стали.

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности).

На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка обычно выполняется трехфазной (m=3), но может иметь и другое число фаз машинах для специальных целей (m=2,6).

Концы фаз трехфазной обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов магнитного поля, как и статор.

Другая разновидность обмотки ротора - обмотка в виде беличьей клетки (рис.9-1). При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. Такая асинхронная машина называется машиной с короткозамкнутым ротором.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом.

Принцип действия. Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: двигатель асинхронный скорость вращение

1. Образование вращающегося рабочего магнитного поля токами в обмотках статора;

2. Воздействие этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках ротора.

При питании обмотки статора трехфазным током созда ется вращающееся магнитное поле, частота вращения кото рого (синхронная)



Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. На рис.9-2,а показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ц по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ц против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС, поэтому условные обозначения (крестики и точки) на рис.9-2 показывают одновременно и направление активной составля ющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление кото рых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие F_peз, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за враща ющимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения п₂ соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двига тельным и, очевидно, в данном случае

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

(9-1)

Скольжение часто выражают в процентах

(9-2)

Очевидно, что при двигательном режиме 1 > s > 0.

Если изменить направление вращения ротора (или маг нитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях (рис.9-3,б), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т. е. машина будет получать из сети активную мощность. Однако в данном режиме электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. Так как ротор вращается в обратном направлении (относительно направления магнит ного поля), то п₂< 0, a s>1.

Таким образом, характерная особенность асинхронной машины -- наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения n₁ и п₂. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возни кает электромагнитный момент. Поэтому машину называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем).

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся час тоту вращения при кратковременных возмущениях (измене ниях нагрузки, напряжения питающей сети и пр.).

Свойство саморегулирования. Асинхронные машины, как и все электрические машины, обладают свойством саморегулирования. Оно заключается в том, что при изменении противодействующего момента (момента сопротивления), созданного рабочим механизмом, автоматически изменяется вращающий момент машины и восстанавливается нарушенное равновесие моментов на валу машины. У асинхронной машины это происходит за счет уменьшения или увеличения токов ротора.

Уравнение моментов имеет вид

М=М_ст+М_дин,

представляет собой динамический вращающий момент агрегата, пропорциональный моменту его инерции J. Если при n=0 пусковой момент М_п>М_ст, то М_дин>0, >0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока М_дин=М-М_ст>0.

Равновесие моментов достигается М=М_ст при М_дин=0 и =0 и наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения nґ и скольжением sґ. Величина sґ будет тем больше, чем больше М_ст и чем больше, следовательно, нагрузка двигателя. Если при работе двигателя его нагрузку (статический момент производственного механизма М_ст) увеличить, то s возрастет, а n уменьшиться. При уменьшении нагрузки, наоборот, s уменьшится, а n увеличится.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если М_ст возрастет, то будет М<М_ст, М_дин<0, <0 и движение ротора двигателя начнет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличивается также ЭДС и ток во вторичной цепи. В результате электромагнитный момент М увеличивается и уменьшение n (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов М=М_ст. При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении.

Энергетическая диаграмма. При работе асинхронной ма шины в двигательном режиме (рис.9-4) к статору из сети подводится мощность

(9-3)

Часть этой мощности затрачивается на покрытие электри ческих потерь ДР_эл1 в активном сопротивлении обмотки статора и магнитных потерь ДС_м1 в статоре. В ротор посредством вращающегося магнитного поля передается электромагнитная мощность

(9-4)

Часть электромагнитной мощности, полученной ротором, тратится на покрытие электрических потерь ДР_эл2 в его обмотке. В машинах с фазным ротором воз никают также потери в щеточных контактах на кольцах, которые обычно включают в потери ДР_эл2. Оставшаяся часть мощности Р_эм превраща ется в механическую мо щность

(9-5)



Магнитные потери ДР_м2 в стали ротора из-за малой частоты перемагничивания практичес ки отсутствуют. Механическая мощность, за исключением небольших потерь на трение, является выходной полезной мощностью двигателя:

(9-6)

где ДС_т и ДС_дo6 -- соответственно потери на трение (механи ческие) и добавочные потери.

Выразим электромагнитную и механическую мощности через электромагнитный вращающий момент М:

(9-7)

где Щ₁ = 2рn₁/60 и Щ₂ = 2рn₂/60--угловые скорости соот ветственно магнитного поля и ротора.

Из энергетической диаграммы (рис.9-4) следует, что

(9-8)

(9-9)

Из формулы (9-9) имеем

(9-10)

(9-11)

Формулы (9-10) и (9-11) позволяют произвести анализ важнейших свойств асинхронного двигателя, а именно уста новить связь между скольжением и КПД, а также зависи мость электромагнитного момента от параметров машины и режима ее работы.

Связь между скольжением и коэффициентом полезного действия. Представим КПД асинхронного двигателя в виде

где з₁ и з₂ -- КПД статора и ротора.

Поскольку

справедливо неравенство

Следовательно, з<з₂<(1--s).

Таким образом, для работы асинхронного двигателя в номинальном режиме с высоким КПД необходимо, чтобы в этом режиме он имел небольшое скольжение. Обычно s_ном = 0,01...0,06, при этом обмотку ротора выполняют с не большим активным сопротивлением.

Номинальную частоту вращения ротора

можно принять равной приблизительно 0,97 п₁.

Механическая характеристика. Наибольшее значение для оценки свойств асинхронного двигателя имеет механическая характеристика, представляю щая собой графическую зависимость частоты вращения ротора п₂ от вращающего момента М, т.е. n₂=f(M) или M=f(n₂). Иногда эта зависимость выражается в виде M=f(s) или M=f(v), где

н= n₂/n₁ -- относительная частота вра щения. При этом

(9-12)

Использование понятий относительной частоты вращения и скольжения придает механической характеристике более общий характер.

Механическая характеристика (рис.9-5,а, б) имеет мак симум момента при частоте вращения n₂?(0,8...0,9)n₁; при частоте вращения п₂ -- п₁ момент вращения М=0, а при п₂ = 0 пусковой момент составляет М_п = (0,3...0,7)М_max.

Скольжение, при котором момент имеет максимальное значение, называется критическим.

Для получения высокого КПД необходимо снижать R₂, вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя достигается при относительно высоких частотах вращения.

Максимальный момент не зависит от активного сопротивле ния ротора. Это сопротивление определяет лишь скольжение при максимальном моменте.

При увеличении скольжения от s = 0 (скольжение холостого хода) до s = 1 (скольжение пуска), ток ротора монотонно возрастает, в то время как электромагнитный момент М сначала увеличивается с ростом скольжения, достигает максимума при s = s_кр, а затем уменьшается, несмотря на возрастание тока .

Физически это объясняется тем, что в формуле момента



при малых скольжениях преобладающее влияние имеет возрастание тока I₂. Преувеличении сколь жения свыше s_кр ток I₂ возрастает сравнительно мало и преобладающее влияние оказывает уменьшение cosш₂, которое происходит вследствие повышения частоты в роторе: f₂=sf₁.

2. Схема замещения асинхронной машины

Схема замещения позволяет определить токи, потери мощности и падения напряжения в асинхронной машине. При этом нужно учитывать, что в обмотке вращающегося ротора проходит ток, действующее значение и частота которого зависят от частоты вращения.

Схема замещения обмотки ротора. Из электрической схемы замещения ротора при его вращении (рис.9-6,а) следует, что ток ротора

(9-13)

При вращении ротора ЭДС E_2s в обмотке ротора и ее частота пропорциональны скольжению s. Следовательно, и индуктивное сопротивление обмотки ротора зависит от скольжения:

(9-14)

где Х₂--индуктивное сопротивление обмотки заторможенно го ротора.

Подставляя значения E_2s и X_2s в (9-13), получаем

(9-15)

В числителе и знаменателе (9-15) есть переменная вели чина s, поэтому преобразуем его к виду



(9-16)

Уравнению (9-16) соответствует электрическая схема замещения, показанная на рис. 9-6,б. Здесь ЭДС Е₂ и ин дуктивное сопротивление Х₂ неизменны, а активное сопро тивление R₂/s изменяется в зависимости от скольжения.

Схемы, представленные на рис.9-6,а, б, с энергетической точки зрения не эквивалентны. Так, в схеме, приведенной на рис.9-6,а, электрическая мощность ротора Р_р равна электрическим потерям

а мощность, потребляемая в схеме, приведённой на рис.9-6,б,

Отношение этих мощностей

Однако поскольку s = ДP_эл2/P_эм, получим, что Р'_р = Р_эм. Следовательно, электрическая мощность Р'_р в схеме, пред ставленной на рис.9-6,б, равна всей электромагнитной мощности, подводимой от статора к ротору.

По известным значениям ДР_эл2 и Р_эм можно определить и механическую мощность ротора:



Полученный результат наглядно представлен электричес кой схемой (рис. 5.14, в), в которой активное сопротивление обмотки ротора состоит из двух частей: R₂ и R₂(1--s)/s. Первое сопротивление не зависит от режима работы, и потери в нем равны электрическим потерям реального ротора. Второе сопротивление зависит от скольжения, и мо щность, выделяющаяся в нем, численно равна механической мощности двигателя. Таким образом, рассматриваемая схема замещения позволяет заменить реальный вращающийся ротор неподвижным, в цепь обмотки которого включено активное сопротивление, зависящее от частоты вращения ротора.

Т-образная схема замещения. Полная схема замещения асинхронной машины при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронной машины с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопро тивления, зависящего от нагрузки (рис.9-7). Эту схему замещения называют Т-образной. Следовательно, и в этом случае удается свести теорию асинхронной машины к теории трансформатора.

Сопротивления R_m и Х_т намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформа тора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя, так как ошибка может получиться значительной.

Г-образная схема замещения. Можно упростить вычисле ния, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рис.9-8,а.

Для Г-образной схемы замещения (рис.9-8,а) имеем



где и -- токи рабочих контуров для Т- и Г-образной схем замещения.

Появившийся в этой схеме замещения комплекс

практически всегда можно заменить модулем С₁ который для асинхронных двигателей мощ ностью 10 кВт и выше равен 1,02...1,05. При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С₁?1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С₁ = 1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром (рис.9-8,б). В этой схеме ток без большой погрешности можно приравнять току I₀.

3. Пуск асинхронного двигателя и регулирование скорости вращения

Пуск асинхронного двигателя. При пуске двигателя по возможности должны удовлетво ряться основные требования: процесс пуска должен осуществ ляться без сложных пусковых устройств; пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи - по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавля ют и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используют двигатели: необходимость плавного пуска, максимального пускового момента и пр.

Практически используют следующие способы пуска: не посредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск); понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске; подключение к обмотке ротора пускового реостата.

Прямой пуск. Этот способ применяют для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины.

Двигатели обычно пускают с помощью электромагнитного выключателя К-магнитного пускателя (рис.9-9,а) и разгоня ют автоматически по естественной механической характеристи ке М (рис.9-9,б) от точки П, соответствующей начальному моменту пуска, до точки Р, соответствующей условию М = М_ст. Если в начальный момент пуска М_п<М_ст, двигатель разогнаться не сможет.

Отношение моментов

M_п/M_ном = k_п.м

называют кратностью начального пускового момента. Для двигателей с короткозам кнутым ротором мощностью 0,6... 100 кВт ГОСТом установ лено k_п.м= 1,0...2,0; мощностью 100...1000 кВт- k_п.м= 0,7...1,0.

Получение кратностей пускового момента, больших регламентиро ванных ГОСТом, обычно нежелательно, так как это связано либо с увеличением активного со противления ротора, либо с изменением конструкции ротора, что ухудшает энергетические показатели двигателя.

Недостатком данного способа пуска кроме сра внительно небольшого пускового момента явля ется таксисе большой бросок пускового тока, в 5...7 раз превышающий номинальное значение тока.

Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного подключения обмотки статора к сети широко применяют благодаря простоте и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ро тором - низкой стоимости и высоким энергетическим показа телем (з, cosц₁, k_м и др.).

Пуск при пониженном напряжении. Такой пуск применяют для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощнос ти при недостаточно мощных электрических сетях. Пониже ние напряжения может осуществляться следующими путями:

а) переключением обмотки статора с помощью переклю чателя с нормальной схемы Д на пусковую схему Х. При этом напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в раз, что обусловливает уменьшение фазных токов раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номиналь ной частоты вращения обмотку статора переключают обрат но на нормальную схему;

б) включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) сопротивлений (рис.9-10,а). После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором К1;

в) подключением двигателя к сети через понижающий автотрансформатор АТр (рис.9-10,б), который может иметь несколько ступеней, переключаемых в процессе пуска соот ветствующей аппаратурой.

Недостатком указанных методов пуска путем понижения напряжения является значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, которые пропорци ональны квадрату приложенного напряжения, поэтому их можно использовать при пуске двигателей без нагрузки или при незначительной нагрузке.

На рис. 9-11 для примера приведены механические харак теристики двигателя при номинальном и пониженном напря жении, т. е. при соединении обмотки статора по схемам Х и Д, а также графики изменения тока I₁ и момента М при пуске двигателя путем переключения обмотки статора с нормальной схемы Y на пусковую Д. При соединении по схеме Х максимальный и пусковой моменты уменьшаются в 3 раза, вследствие чего двигатель не в состоянии осуществить пуск механизма с нагрузочным моментом М_н.

Пуск с помощью реостата в цепи ротора. Этот способ при меняют для пуска двигателей с фазным ротором. Если в цепь ротора включить пусковой реостат R_п, то активное сопротивление цепи ротора увеличится, а пусковой момент возрастает от значения М_п до значения М'_п. Одновременно повышается критическое скольжение, а по этому зависимость M=f(s) сдвигается в область больших скольжений, а зависимость n₂ = f(M) - в область меньших частот вращения (рис.9-12,а, б, кривые 1-4).

Пусковой реостат имеет обычно три - шесть ступеней (рис.9-13,а), что позволяет в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента двигателя. Сначала двигатель пускается по характеристике 4 (рис.9-13,б), соответствующей сопротивлению пускового реостата

R_п3 = R_доб1 + R_доб2 + R_доб3,

и развивает вращающий момент М_пmax. По мере увеличения частоты вращения вращающий момент М уменьшается и может стать меньше некоторого момента M_пmin. Поэтому при M=M_пmin часть пускового реостата R_доб3 выводят, замы кая контактор КЗ. Вращающий момент при этом мгновенно возрастает до М_пmax, а затем с увеличением частоты вращения изменяется по характеристике 3, соответствующей сопротивлению реостата

R_п2 ⁼ R_доб1 + R_доб2.

При дальнейшем уменьшении момента М до M_пmin часть реостата R_доб2 снова выключается контактором К2, и двигатель переходит на работу по характеристике 2, соответствующей сопротив лению R_п1= R_доб1.

Таким образом, при постепенном (ступен чатом) уменьшении сопротивления пускового реостата вра щающий момент двигателя изменяется от М_пmax до M_пmin, а частота вращения возрастает по ломаной кривой, показанной на рис.9-13,б жирной линией. В конце пуска пусковой реостат полностью выводят контактором К1, обмотка ротора замыкается накоротко, и двигатель пере ходит на работу по естественной характеристике 1. Выключе ние отдельных ступеней пускового реостата в процессе разгона двигателя может осуществляться вручную или автоматически. Таким образом, посредством реостата, вклю ченного в цепь ротора, можно осуществить пуск двигателя при М_п?М_тах и резко уменьшить пусковой ток.

Недостатком данного способа является его относительная сложность и необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором. Кроме того, указанные двигатели имеют несколько худшие рабочие характеристики, чем двигатели с короткозамкнутым ротором такой же мощности (кривые з и cosц₁ проходят ниже). В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя. Частота вращения асинхронного двигателя

(9-17)

Из формулы (9-17) следует три принципиально возмож ных метода регулирования асинхронных двигателей: измене ние частоты f (частотное регулирование), числа полюсов 2р (полюсное регулирование) и скольжения s. Скольжение s обычно изменяют путем изменения потерь в цепи ротора с помощью реостата (роторное регулирование), но в некоторых случаях для этого изменяют величину пита ющего напряжения.

Частотное регулирование. Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего на пряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой враще ния, либо преобразователи частоты -- электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводни ковых вентилях (транзисторах или тиристорах).

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I₂ при том же значении М (из равенства

и т.д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф=const. При этом одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т.е. поддерживать

U₁/f₁=const, (9-18)

что является выражением закона Костенко.

Закон Костенко -- характеристики асинхронного дви гателя при частотах питающего напряжения, отличных от номинальной, зависят от соотношения между напряжением сети U₁ и частотой f_1, т. е. питающее напряжение следует изменять прямо пропор ционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения.

При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать



Ф=E₁/f₁=const.

К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.

Полюсное регулирование. Такое регу лирование позволяет получить ступенчатое изменение часто ты вращения. На рис.9-14 показана простейшая схема (для одной фазы), позволяющая изменять, позволяющая изменять число полюсов обмотки статора в 2 раза. Для этого каждую фазу обмотки статора разделяют на две части, которые переключают с последовательного соединения на параллельное. Из рис. 9-14 видно, что при включении катушек 1--2 и 3--4 в две параллельные ветви число полюсов уменьшается в 2 раза, а следовательно, частота вращения магнитного поля уве личивается в 2 раза.

При переключении число последовательно включенных витков в каждой фазе уме ньшается вдвое, но так как частота вращения возраста ет в 2 раза, ЭДС, индуци рованная в фазе, остается неизменной. Следовательно, двигатель при обеих часто тах вращения может быть подключен к сети с один аковым напряжением. Что бы не осуществлять пере ключения в обмотке рото ра, последнюю выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или че тыре частоты вращения, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переклю чении которой можно по лучить дополнительно две частоты. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными.

На рис.9-15 показаны наиболее часто употребляемые схемы соединений обмотки статора с переключением числа полюсов в отношении 2:1. Схемы, приведенные на рис. 9-15, a, б, обеспечивают переключение при постоянном моменте, а схемы, приведенные на рис. 9-15,в, г,-- при приблизительно постоянной мощности.

Механические характеристики двигателя при переключе нии полюсов двумя рассмотренными методами приведены на рис.9-15,д, кривые 1 и 2 -- при постоянном моменте, кривые 3 и 4 -- при постоянной мощности.

Многоскоростные двигатели имеют следующие недостатки: большие габариты и массу по сравнению с двигателями нормального исполнения, а, следовательно, и большую стои мость. Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f₁ = 50 Гц частота вращения поля п₁ при переключениях изменяется в соотношении 3000:1500:1000:750.

Регулирование путем включения реостата в цепь ротора. При включении в цепь ротора добавочных активных сопро тивлений R_доб1, R_доб2, R_доб3 и других изменяется форма зависимости M=f(s) и механической характеристики n₂ = f(M) двигателя (рис. 9-16,а). При этом некоторому нагрузочному моменту М_н соответствуют скольжения s_l, s₂, s₃,..., большие, чем скольжение s_e при работе двигателя на естественной характеристике (при R_доб = 0). Следовательно, установившаяся частота вращения двигателя уменьшается (рис.9-16,б).

Этот метод регулирования может быть использован толь ко для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатка ми его являются: а) большие потери энергии в регулировоч ном реостате; б) чрезмерно «мягкая» механическая характе ристика двигателя при большом сопротивлении в цепи рото ра. В некоторых случаях последнее является недопустимым, так как небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существен ное изменение частоты вращения.

4. Однофазные асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели небольшой мощности (15...600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах для привода вентиляторов, насосов и другого оборудования, не требующего регулирования частоты вра щения. В электробытовых приборах и автоматических уст ройствах обычно используют однофазные микродвигатели, так как эти приборы и устройства, как правило, получают питание от однофазной сети переменного тока.

Принцип действия и устройство однофазного двигателя. Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре однофазную обмотку, а на роторе - обмотку в виде беличьей клетки.

Однофазный ток I₁ статора однофазного двигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой скоростью

n₁=f₁/p.

Распределение МДС и индукции в воздушном зазоре близко к синусоидальному. Поскольку по обмотке проходит переменный ток, МДС пульсирует во времени с частотой сети. Индукция в произвольной точке воздушного зазора

Таким образом, в однофазном двигателе обмотка статора создает неподвижный поток, изменяющийся во времени, а не круговой вращающийся поток, как в трехфазных двигателях при симметричном питании.

Однофазный двигатель можно представить в виде двух одинаковых двигателей, роторы которых жестко связаны между собой, при встречном направлении вращения магнитных полей и создаваемых ими моментов М_пр и М_обр. Поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым; поле обратного направления -- обратным или инверсным.

Электромагнитные моменты М_пр и М_обр, образуемые прямым и обратным полями, направлены в противополож ные стороны, а результирующий момент однофазного дви гателя М_рез равен алгебраической сумме моментов при одной и той же частоте вращения ротора.

На рис.9-17,а показана зависимость M=f(s) для одно фазного двигателя. Рассматривая рис. 6.2, можно сделать следующие выводы:

а) однофазный двигатель не имеет пускового момента; он вращается в ту сторону, в которую приводится внешней силой;

б) частота вращения однофазного двигателя при холостом ходе меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента, образуемого обратным полем;

в) рабочие характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного; он имеет повышенное скольжение при номинальной нагрузке, меньший КПД, меньшую перегрузочную способность, что также объясняется наличием обратного поля;

г) мощность однофазного двигателя составляет примерно ²/₃ от мощности трехфазного двигателя того же габарита, так как в однофазном двигателе рабочая обмотка занимает только ²/₃ пазов статора. Заполнять все пазы статора нерационально, так как при этом обмоточный коэффициент получается малым, расход меди возрастает примерно в 1,5 раза, в то время как мощность увеличивается на 12%.

Пусковые устройства. Чтобы получить пусковой момент, однофазные двигатели имеют пусковую обмотку, сдвинутую на 90 эл. град, относительно основной рабочей обмотки. На период пуска пусковую обмотку присоединяют к сети через фазосдвигающие элементы -- емкость или активное сопротивление. После окончания разгона двигателя пуско вую обмотку отключают, при этом двигатель продолжает работать как однофазный. Поскольку пусковая обмотка работает лишь короткое время, ее изготовляют из прово да меньшего сечения, чем рабочую, и укладывают в мень шее число пазов.

На рис.9-18, а изображена схема процесса пуска при использова нии в качестве фазосдвигающего элемента емкости С. Выбирая определенным образом емкость фазосдвигающего конден сатора, можно получить режим работы при пуске, близкий к симметричному, т. е. получить круговое вращающееся поле. На рис. 9-18,б показаны зависимости M=f(s)для двигателя при включенной (кривая 1) и выключенной (кривая 2) пусковой обмотке. Пуск двигателя осуществляется на части ab характеристики 1; в точке b пусковая обмотка выключается, и в дальнейшем двигатель работает на части сО характеристики 2.

Поскольку включение второй обмотки существенно улуч шает механическую характеристику двигателя, в некоторых случаях применяют однофазные двигатели, в которых об мотки А и В включены все время (рис.9-19,а). Такие двигатели называют конденсаторными.

Обе обмотки конденсаторных двигателей занимают, как правило, одинаковое число пазов и имеют одинаковую мощность. При пуске конденсаторного двигателя для уве личения пускового момента целесообразно иметь увеличен ную емкость С_р + С_п. После разгона двигателя по характе ристике 2 (рис.9-19,б) и уменьшения тока часть конденса торов С_н отключают, чтобы при номинальном режиме (когда ток двигателя становится меньшим, чем при пуске) увеличить емкостное сопротивление и обеспечить работу двигателя в условиях, близких к работе при круговом вращающемся поле. При этом двигатель работает на характеристике 1.

Конденсаторный двигатель имеет высокий cosц. Не достатками его являются сравнительно большая масса и габариты конденсатора, а также возникновение несину соидального тока при искажениях питающего напряжения, которое в ряде случаев приводит к вредному воздействию на линии связи.

Размещено на Allbest.ru

...