УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Асинхронные машины — наиболее распространенные элек­трические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

В настоящее время асинхронные электро­двигатели 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:

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

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

Рис. 9-2. Электромагнитная схема асинхронной машины (а)

и направления токов и электромагнитного момента при работе

ее в двигательном режиме (б)

При питании обмотки статора трехфазным током созда­ется вращающееся магнитное поле, частота вращения кото­рого (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 Φ по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Φ 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 составля­ющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление кото­рых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие F_peз, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за враща­ющимся 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 двига­тельным 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 маг­нитного 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 Μ 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 магнит­ного поля), то п₂< 0, a s> 1.

Таким образом, характерная особенность асинхронной машины — наличие скольжения, т. е. неравенство частот вращения n ₁и п ₂. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возни­кает электромагнитный момент. Поэтому машину называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем).

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся час­тоту вращения при кратковременных возмущениях (измене­ниях 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,

где

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 n´ и скольжением s´. Величина s´ 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 ма­шины в двигательном режиме (рис.9-4) к статору из сети подводится мощность

(9-3)

Часть этой мощности затрачивается на покрытие электри­ческих потерь ΔР_эл1 в активном сопротивлении обмотки статора и магнитных потерь ΔΡ_м1 в статоре. В ротор посредством вращающегося магнитного поля передается электромагнитная мощность

(9-4)

Часть электромагнитной мощности, полученной ротором, тратится на покрытие электрических потерь ΔР_эл2 в его обмотке. В машинах с фазным ротором воз­никают также потери в щеточных контактах на кольцах, которые обычно включают в потери ΔР_эл2. Оставшаяся часть мощности Р_эм превраща­ется в механическую мо­щность

(9-5)

Магнитные потери ΔР_м2 в стали ротора из-за малой частоты перемагничивания практичес­ки отсутствуют. Механическая мощность, за исключением небольших потерь на трение, является выходной полезной мощностью двигателя:

(9-6)

где ΔΡ_т и ΔΡ_дo6 — соответственно потери на трение (механи­ческие) и добавочные потери.

Выразим электромагнитную и механическую мощности через электромагнитный вращающий момент М:

(9-7)

где Ω₁ = 2πn₁/60 и Ω₂ = 2πn₂/60—угловые скорости соот­ветственно магнитного поля и ротора.

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

(9-8)

или

(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 уста­новить связь между скольжением и КПД, а также зависи­мость электромагнитного момента от параметров машины и режима ее работы.

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

где η₁и η₂ — КПД статора и ротора.

Поскольку

справедливо неравенство

Следовательно, η<η₂<(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 не­большим активным сопротивлением.

Номинальную частоту вращения ротора

можно принять равной приблизительно 0,97 п ₁.

Механическая характеристика. Наибольшее значение для оценки свойств асинхронного двигателя имеет механическая характеристика, представляю­щая 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 ν= n ₂ /n ₁— относительная частота вра­щения. 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 мак­симум момента при частоте вращения n ₂≈(0,8...0,9) n ₁; при частоте вращения п ₂ — п ₁момент 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 R ₂, вследствие чего максимум момента асинхронного двигателя достигается при относительно высоких частотах вращения.

Максимальный момент не зависит от активного сопротивле­ния 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 Μ 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 I ₂. Преувеличении сколь­жения свыше s _крток I ₂ возрастает сравнительно мало и преобладающее влияние оказывает уменьшение cosψ₂, которое происходит вследствие повышения частоты в роторе: f₂=sf₁.

Поиск по сайту: