Асинхронный двигатель

Размещено на Allbest.ru

Содержание

1. Общие сведения

2. Устройство трехфазной асинхронной машины

3. Режим работы трехфазной асинхронной машины

4. Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя

5. Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас. М

6. Универсальная характеристика Ас. М

7. Пуск ас. дв. в ход

8. Методы регулирования частоты вращения Ас. Дв

1. Общие сведения

асинхронная машина

Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная бесколлекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина (Ас. М.) - это машина, в которой при работе возбуждаются вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель. Ас. М. состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещённых на общем сердечнике, и помещённой между ними четвертой, вращающейся катушки.

Ас. М. малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.

Общий недостаток Ас. М. - это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.

2. Устройство трехфазной асинхронной машины

Трехфазная Ас. М. состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Конструкция статора. Статор Ас. М. представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака (рис. 1). В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга.

Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов p, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/ p.

Для укладки многовитковой катушечной группы в пазах статора ее разделяют на q последовательно соединенных секций по wc витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намотки y. В первом случае стороны ка?дой сек?ии сдвинуты по окру?ности статора на угол 180°/ p, что соответствует одному полюсному делению y=ф, т. е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс. Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга, т. е. их шаг намотки ф<y< ф.

Распределение фазных обмоток по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции статора, но и обуславливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором.

Сердечник статора изготавливается с открытыми или полуоткрытыми пазами, применение полуоткрытых пазов уменьшает магнитное сопротивление и, следовательно, намагничивающий ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность изоляции.

Конструкция ротора. Ас. М. в основном различаются устройством ротора. Ротор Ас. М. представляет собой цилиндрический сердечник (рис. 2), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный на подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (т. н. «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контактными кольцами, выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные на неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату (рис. 3). Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить условия пуска двигателя - уменьшить пусковой ток и увеличить начальный вращающий момент, кроме того, при помощи реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

На рисунке 4 приведены условные обозначения Ас. М. с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором на схемах замещения.

3. Режим работы трехфазной асинхронной машины

Режим работы трехфазной Ас. М. определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемые в его обмотке ЭДС, а, следовательно, и токи. Если частота вращения поля n1, а частота вращения ротора n, то режим работы Ас. М. можно характеризовать скольжением

На рисунке 5 построена линейная характеристика n (s) по (1). В зависимости от значения скольжения s трехфазная Ас. М. может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0< s <1) трехфазная Ас. М. преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (s <0) трехфазная Ас. М. преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (s>1) ротор трехфазной Ас. М. вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия.

4. Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя

Токи обмоток статора, подключенных к трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора, которое индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или пусковыми реостатами) обмотке ротора. Токи ротора, возникающие под действием ЭДС, возбуждают вращающееся магнитное поле ротора. Частота и направление вращения этих полей одинаковы, что обуславливает результирующее вращающееся магнитное поле, называемое рабочим полем машины.

Рассмотрим характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута. Характеристики этого поля зависят от геометрического расположения фазных обмоток на статоре машины.

Двухполюсное вращающееся поле. Для получения двухполюсного вращающегося поля необходимо три одинаковые фазные обмотки расположить на статоре так, чтобы углы между их осями были равны 120є. Если фазные обмотки соединить звездой и подключить к трехфазной сети питания, то токи в витках катушек будут равны

Токи фазных обмоток создают магнитные поля.

Сумма векторов этих магнитных индукций образует магнитную индукцию поля статора. Опишем поле статора через его составляющие по двум взаимно перпендикулярным осям x и y, причем оси x дадим направление оси катушки фазы А.

Составляющая индукции магнитного поля вдоль оси x равна алгебраической сумме проекций на эту ось мгновенных значений трех индукций:

Подставив выражения индукций из (2), получим

Составляющая индукции магнитного поля по оси y

или после подстановки значений индукции из (2)

Таким образом, магнитная индукция поля статора

т. е. ее значение постоянно. Угол б, образуемый магнитными линиями поля с осью y, определяется условием

т. е.

Следовательно, магнитное статора вращается в плоскости осей катушек по направлению движения часовой стрелки с угловой скоростью щ. Вектор индукции поля последовательно совпадает по направлению с осью той из фазных обмоток, ток в которой достигает максимального значения, т. е. поле вращается в направлении последовательности фаз трехфазной системы токов в трехфазных обмотках.

Чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, достаточно изменить порядок подключения двух любых фазных обмоток Ас. М. к трехфазному источнику электрической энергии.

фазных обмоток на статоре машины.

Многополюсное вращающееся поле. В многополюсной обмотке статора каждой паре полюсов вращающегося поля соответствует одна катушечная группа в каждой обмотке, т. е. всего три катушечные группы для трехфазных обмоток. Следовательно, если поле должно иметь р пар полюсов, то все три фазные обмотки статора должны быть разделены на k=3р равных частей, т. е. р частей на каждую фазу.

5. Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас. М

Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из N стержней. Между ЭДС, индуктированными вращающимся магнитным полем статора в двух соседних стержнях, сдвиг фаз равен 360°p/N. Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней, m2=N, а число витков в каждой фазе w2=1/2.

Аналогично цепь фазного ротора представляет собой трехфазную систему m2=3 с числом витков w2 в каждой фазе. Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к фазе ротора, будут отмечаться индексом 2, а относящиеся к фазе статора - индексом 1.

Примем сначала, что цепь ротора разомкнута, т. е. ток в ней отсутствует, на ротор не действуют электромагнитные силы и он неподвижен. В этом случае магнитное поле машины представляет собой только вращающееся магнитное поле статора.

При неподвижном роторе индуктированной в его обмотке ЭДС равна частоте f токов в цепи статора. Если ротор вращать с частотой n вслед за вращающимся полем статора, то частота индуктированной в его обмотке ЭДС уменьшится. Эту частоту f2 можно определить из выражения n1=f·60/p, в котором вместо частоты вращения поля статора n1 нужно подставить разность n1 - n, т. к. вращающееся магнитное поле статора пересекает витки обмотки ротора только вследствие того, что частота его вращения n меньше, чем поля статора n1: f2=p (n1-n) /60.

Если теперь цепь ротора замкнуть, то токи в ней образуют многофазную систему с m2=N фазами в случае короткозамкнутого ротора и с m2=3, т. е. трехфазную в случае фазного ротора. Следовательно, токи в обмотке ротора аналогично токам в обмотке статора должны возбуждать вращающееся магнитное поле. Частоту вращения nотн этого поля относительно ротора можно определить, пользуясь общим выражением частоты вращения многополюсного поля n1=f·60/p: nотн = f2·60/p.

Т. к. сам ротор вращается в том же направлении с частотой n, то его поле вращается в пространстве с частотой nотн + n = (n1 - n) + n = n1, т. е. поле ротора вращается синхронно с полем статора.

Т. о., вращающиеся поля статора и ротора по отношению друг к другу остаются неподвижными, что является характерным условием полной передачи энергии от статора к ротору. Складываясь, вращающиеся магнитные поля статора и ротора образуют рабочее вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя. Рабочее вращающее поле в ас. дв. Служит таким же связующим звеном между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, передающее энергию от первичной к вторичной обмотке.

В дальнейшем вместо термина рабочее вращающееся магнитное поле будем пользоваться сокращенным - вращающееся магнитное поле ас. дв.

Различают несколько режимов работы ас. дв. : нормальный режим, соответствующий номинальному скольжению ротора s=sном при номинальном напряжении U1=U1ном и токе I1=I1ном питающей сети; рабочий режим, при котором напряжение питающей сети близко к номинальному значению или равно ему, U1?U1ном, а нагрузка двигателя определяется тормозным моментом на валу при скольжении s?sном и токе I1=I1ном; режим пуска двигателя в ход, возникащий при подключении напряжения питающей сети и неподвижном роторе s=1.

Режим работы всех фаз статора одинаковый. То же относится к фазам ротора. Поэтому анализ работы ас. дв. можно вести для одной фазы, представив одну ее обмотку одним витком.

6. Универсальная характеристика Ас. М

Асинхронная машина, как и все электрические машины, обратима, т. е. в режиме двигателя она может преобразовывать электрическую энергию в механическую, а в режиме генератора - механическую в электрическую. Чтобы перевести ас. м. из режима двигателя в режим генератора, необходимо при помощи внешней механической силы, приложенной к валу ас. м., сообщить ротору частоту вращения, превышающую синхронную, т. е. нужно чтобы выполнялось условие n>n1. Тогда ротор будет обгонять вращающееся магнитное поле, а провода его обмотки будут пересекать линии магнитного поля в направлении, обратном направлению пересечения при вращении в режиме двигателя. Вследствие этого направления ЭДС и токи в обмотке ротора изменяется на противоположные. В результате силы взаимодействия вращающегося поля и токов ротора также изменят свое направление на обратное и станут противодействовать вращению ротора. Мощность, развиваемая машиной, в таких случаях отрицательна, т. е. машина не потребляет энергию, а отдает ее в сеть. При таком режиме скольжение s= (n1-n) /n1<0.

Отрицательное скольжение - характерный признак работы ас. м. в режиме генератора.

Асинхронный генератор (ас. г.) потребляет из сети индуктивный реактивный (намагничивающий) ток, как и двигатель, и поэтому нуждается в источнике реактивной мощности. Следовательно, ас. г. не может работать независимо.

Преимуществом ас. г. является простота его устройства и обслуживания.

Если при помощи внешней механической силы вращать ротор против направления вращения магнитного поля машины, то в выражение скольжения частота вращения ротора n войдет уже с отрицательным знаком, а в таких условиях скольжение s= (n1+n) /n1>1.

В этих условиях направления тока в обмотке ротора не изменится, а, следовательно, ротор будет развивать момент, противодействующий тормозному моменту, приложенному к валу машины. Последняя будет получать механическую энергию, подводимую со стороны вала, и электрическую энергию из сети. Это будет режим электромагнитного тормоза.

Такой режим применяется для быстрой остановки двигателя или в случае применения ас. м. для торможения приводного механизма, например в крановых и подъемных устройствах при спуске грузов.

7. Пуск ас. дв. в ход

Важное практическое значение асинхронных двигателей имеют их пусковые свойства. Эти свойства в основном определяются следующими величинами: пусковым током Iпуск и начальным пусковым вращающим моментом Мвр. пуск, плавностью и экономичностью пускового процесса, длительностью пуска.

Пуск ас. дв. с фазным ротором

Пусковые условия асинхронного двигателя с фазной обмоткой ротора можно существенно улучшить ценой некоторого усложнения конструкции и обслуживания двигателя.

Если в уравнении вращающего момента положит s=1, то получим выражение начального пускового момента, т. е. момента, развиваемого двигателем при трогании с места:

(6)

Если нужно, чтобы Мвр. пуск= Мвр. max т. е. чтобы при пуске двигатель развивал максимальный момент, то активное сопротивление фазной обмотки ротора должно быть

(7)

Т. к. активное сопротивление фазной обмотки ротора относительно мало, то для получения максимального начального пускового момента необходимо в цепь ротора включить пусковой реостат с сопротивлением фазы

В этом случае зависимость Мвр (s) ас. дв. будет иметь максимум при s=1 рис

Как только ротор начинает вращаться, уменьшается скольжение, а в месте с ним ЭДС и ток ротора, вследствие чего уменьшается вращающий момент. Чтобы двигатель продолжал развивать вращающий момент, близкий к максимальному, сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец когда двигатель достигает номинальной частоты вращения, пусковой реостат замыкают накоротко.

Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток двигатели снабжаются иногда приспособлением для подъема щеток и замыкания колец накоротко.

Чем больше должен быть пусковой момент, чем ближе он к максимальному моменту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяжелых условий пуска реостат подбирается так, чтобы пусковой момент был равен максимальному.

Чтобы пусковой реостат в течение времени пуска не перегревался, его мощность должна примерно равняться мощности двигателя. Для двигателей большой мощности пусковые реостаты изготавливаются с масляным охлаждением.

Конечно, применение пускового реостата значительно улучшает пусковые условия асинхронного двигателя, повышая пусковой момент и уменьшая пусковой ток.

Пуск ас. да. с короткозамкнутым ротором

Такой пуск исключительно просто и быстр. Необходим лишь простой коммутирующий аппарат, например рубильник, или для двигателя высокого напряжения - масляный включатель. При прямом пуске двигателя кратность пускового тока высока, примерно 5, 5-7. Такой кратковременный пуск относительно безопасен.

Пусковые характеристики Ас. Дв. могут быть существенно улучшены, если обмотка ротора имеет двойную беличью клетку. Такой ротор снабжен двумя клетками, лежащими одна на другой: наружной - пусковой и внутренней - рабочей. Стержни клеток размещены соответственно в наружной и внутренней частях паза. Такое расположение клеток приводит к значительному различию их индуктивностей рассеивания. У внутренней клетки индуктивность рассеивания велика, т. к. стержни этой клетки окружены сталью, прорезанной лишь сверху узкой щелью паза, а у наружной клетки она значительно меньше, т. к. значительная часть пути линий поля рассеяния вокруг стержней проходит в воздушном промежутке между ротором и статором с большим магнитным сопротивлением и по щели паза под стержнями.

В первый момент пуска двигателя частота токов в обмотке ротора равна частоте сети. Т. о., при пуске двигателя ток в роторе вытесняется из внутренней беличьей клетки. В тоже время полное сопротивление наружной клетки определяется преимущественно ее активным сопротивлением.

По мере разбега ротора частота токов в нем уменьшается и вместе с тем уменьшается влияние индуктивного сопротивления на распределение токов.

Ток наружной клетки будет меньше тока внутренней клетки, активное и полное сопротивления которой в таких условиях малы, как у обычного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Упрощенным вариантом ас. дв. с двойной беличьей клеткой является двигатель с глубоким пазом.

Двигатель с глубоким пазом ротора в конструктивном отношении проще двигателя с двойной клеткой. Зато второй может быть выполнен на различные начальные моменты и на различные кратности пускового тока, что дает возможность конструировать такой двигатель для специальных случаев тяжелого пуска в ход.

8. Методы регулирования частоты вращения Ас. Дв.

Частотное регулирование

Наиболее перспективным методом управления частотой вращения ас. дв. является регулирование частоты переменного тока в обмотках статора двигателя. Угловая скорость вращающего поля П =2 f / р, т. е. изменяется пропорционально изменению частоты тока f. Однако при регулировании частоты тока необходимо одновременное регулирование напряжения. Т. К. поток должен сохраняться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть пропорциональным частоте.

При оценке характера зависимости вращающегося момента от частоты тока в обмотках статора и от напряжения не будем учитывать в уравнении активное сопротивление обмотки статора rв1 и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора xpac1 и ротора xpac2.

Следовательно, при изменении частоты тока для поддержания вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на обмотках статора, т. е. нужно выполнить условие U/f=const.

Регулирование изменением числа пар полюсов. ?

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов, задаваемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные обмотки - одну, образующие р пар, а другую, образующую р\ ар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, получим частоту вращения поля:

n1 = 60 f / p или n\1 = 60 f / p|

следовательно, n1 / n\1 = p / p, | т. е. соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

Реостатное регулирование

В трехфазных Ас. Дв. с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата, как при пуске двигателя. Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику Мвр (s) - делает ее более мягкой. Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (rp1<rp2<rp3), то рабочая точка будет с одной кривой Мвр (s) на следующую, соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора, соответственно чему растет скольжение, а, следовательно, уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии.

Размещено на Allbest.ru