Электрические машины переменного тока

12.2. Асинхронные двигатели.
Конструкция, принцип действия

       Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
       Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
     В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
     Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
     Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.


Рис. 12.4		     Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n1.
     В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке.
     Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки.
     Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 12.4.
     Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n2 в направлении вращения поля статора.
       Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n2 меньше частоты вращения поля статора n1.
       Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.

.     (12.2)

       Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
       Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом Мэм = М2.
       С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
       Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
       Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n2 приблизительно равна синхронной частоте n1. Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
       Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
       Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n2 > n1. Скольжение асинхронного генератора .
       Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
       В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f1 и числом пар полюсов статора. При частоте f1 = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.

P1234
n1, об/мин3 00015001000750


        Из формулы (12.1) получим

     (12.3)

       Скорость поля статора относительно ротора называется скоростью скольжения

.          

       Частота тока и ЭДС в роторной обмотке

,

     .     (12.4)

        Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е1 и Е2к.

;      ,

       где   Фm - максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
                      статорной и роторной обмотками;
              W1 и W2 - числа витков статорной и роторной обмоток;
              f1 - частота напряжения в сети;
              K01 и K02 - обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

       Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки. Этот факт учитывается введением в формулы, определяющие величины электродвижущих сил обмоток, обмоточных коэффициентов. Величины обмоточных коэффициентов несколько меньше единицы.
         ЭДС в обмотке вращающегося ротора

     (12.5)

         Ток ротора работающей машины

         где   R2 - активное сопротивление роторной обмотки;
                 х2 - индуктивное сопротивление роторной обмотки.

         где   х2к- индуктивное сопротивление заторможенного ротора.

     (12.6)

12.3. Вращающий момент асинхронного двигателя

       На ротор и полюсы статора действуют электромагнитные вращающие
моменты, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны.
       Мощность, необходимая для вращения статорных полюсов с синхронной частотой,

,

         где   - угловая скорость.

         Механическая мощность, развиваемая ротором,

         где   - угловая скорость ротора.

         Разность мощностей

         где   РЭ2 - электрические потери в роторной обмотке;
                 m2 - число фаз обмотки ротора;
                 R2 - активное сопротивление обмотки ротора;
                 I2 - ток ротора.

         откуда

     (12.7).


         Вращающий момент, с учетом (12.6),

.

         где   ,       КТ - коэффициент трансформации двигателя с заторможенным ротором.

,

         где   U1 - напряжение сети.

     (12.8).

         где        - константа.

         На рис. 12.5 изображена зависимость электромагнитного момента от скольжения в виде сплошной линии.



Рис. 12.5

         Пусть исполнительный механизм, приводимый во вращение данным двигателем, создает противодействующий тормозной момент М2.
         На рис.12.5 имеются две точки, для которых справедливо равенство Мэм = М2;
это точки а и в.
         В точке а двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие Мэм = М2;.
         В точке в работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку а.
         Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть - областью неустойчивой работы. Точка б, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы.
         Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение Sk. Скольжению S = 1 соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М2 больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным.
         Максимальный момент найдем следующим образом. Сначала определим значение критического скольжения, при котором функция Мэм будет максимальной. Для этого первую производную функции по скольжению S от выражения (12.8) приравняем нулю.

         откуда

.     (12.9)

         Подставив значение критического скольжения в формулу (12.8), получим

.     (12.10)

         Из формул (12.8), (12.9), (12.10) видно:
  1. величина максимального вращающего момента не зависит от активного сопротивления цепи ротора;
  2. с увеличением активного сопротивления цепи ротора максимальный вращающий момент, не изменяясь по величине, смещается в область больших скольжений (см. кривая 1 рис. 12,5);
  3. вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.
         Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n2 = f (M2). Механическую характеристику получают при условии U1 - const, f1 - const. Механическая характеристика двигателя является зависимостью вращающего момента от скольжения, построенной в другом масштабе. На рис. 12.6 изображена типичная механическая характеристика асинхронного двигателя.


Рис. 12.6		     С увеличением нагрузки величина момента на валу возрастает до некоторого максимального значения, а частота вращения уменьшается. Как правило, у асинхронного двигателя пусковой момент меньше максимального. Это объясняется тем, что в пусковом режиме, когда n2 = 0, а S = 1 асинхронный двигатель находится в режиме, аналогичном короткому замыканию в трансформаторе. Магнитное поле ротора направлено встречно магнитному полю статора.
         Результирующий, или основной, магнитный поток в воздушном зазоре машины в пусковом режиме, а также ЭДС в статоре и роторе Е1 и Е2 значительно уменьшаются. Это приводит к уменьшению пускового момента двигателя и к резкому возрастанию пускового тока.

12.4. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.
Реверсирование асинхронного двигателя

          Из формулы (12.2) получим

.     (12.11)

          Из формулы (12.11) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:
  1. изменением частоты питающего напряжения;
  2. изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;
  3. изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения от Sa к Sг (см. рис. 12.5), а, следовательно, и к уменьшению частоты вращения двигателя.
          Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
          Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.

12.5. Однофазные асинхронные двигатели

         Однофазный двигатель имеет одну обмотку, расположенную на статоре. Однофазная обмотка, питаемая переменным током, создаст пульсирующее магнитное поле. Поместим в это поле ротор с короткозамкнутой обмоткой. Ротор вращаться не будет. Если раскрутить ротор сторонней механической силой в любую сторону, двигатель будет устойчиво работать.
          Объяснить это можно следующим образом.
          Пульсирующее магнитное поле можно заменить двумя магнитными полями,
вращающимися в противоположных направлениях с синхронной частотой n1 и имеющими амплитуды магнитных потоков, равные половине амплитуды магнитного потока пульсирующего поля. Одно из магнитных полей называется прямовращающимся, другое - обратновращающимся. Каждое из магнитных полей индуктирует в роторной обмотке вихревые токи. При взаимодействии вихревых токов с магнитными полями образуются вращающие моменты, направленные встречно друг другу.
         На рис. 12.7 изображены зависимости момента от прямого поля М', момента от
обратного поля М" и результирующего момента М в функции скольжения  М = М' - M".



Рис. 12.7

         Оси скольжений направлены встречно друг другу.
         В пусковом режиме на ротор действуют вращающие моменты, одинаковые по величине и противоположные по направлению.
         Раскрутим ротор сторонней силой в направлении прямовращающегося магнитного поля. Появится избыточный (результирующий) вращающий момент, разгоняющий ротор до скорости, близкой к синхронной. При этом скольжение двигателя относительно прямовращающегося магнитного поля

.

         Скольжение двигателя относительно обратновращающегося магнитного поля

.

         Рассматривая результирующую характеристику, можно сделать следующие выводы:
1. Однофазный двигатель не имеет пускового момента. Он будет вращаться в ту сторону, в которую раскручен внешней силой.
2. Из-за тормозного действия обратновращающегося поля характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного.
         Для создания пускового момента однофазные двигатели снабжают пусковой обмоткой, пространственно смещенной относительно основной, рабочей обмотки на 90o. Пусковая обмотка подключается к сети через фазосдвигающие элементы: конденсатор или активное сопротивление.


Рис. 12.8		     На рис. 12.8 показана схема включения обмоток двигателя, где Р - рабочая обмотка, П - пусковая обмотка. Емкость фазосдвигающего элемента С подбирают таким образом, чтобы токи в рабочей и пусковой обмотках различались по фазе на 90o.
     Трехфазный асинхронный двигатель может работать от однофазной сети, если подключить его обмотки по следующим схемам.(Рис. 12.9)



Рис.12.9

         В схеме на рис. 12.9а статорные обмотки соединены звездой.
         В схеме на рис. 12.9б статорные обмотки соединены треугольником. Величина емкости С ≈ 60 мкф на 1 кВт мощности.

Устройство электрической машины постоянного тока Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой). На рис. 11.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.