Асинхронные машины

Асинхронный двигатель. Основные теоретические положения

Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов, благодаря своей простоте и надежности. Более 60% всей вырабатываемой энергии преобразуется в механическую, в основном, с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были более 100 лет назад, русским ученным М.О. Доливо-Добровольским. Мощность асинхронных двигателей может колебаться от десятков ватт до сотен киловатт.

2.2.1. Конструкция асинхронного двигателя.

Асинхронный трехфазный электродвигатель состоит из не­подвижного статора и вращающегося ротора. Статор двигателя представляет собой полый ци­линдр, собранный из отдельных тонких листов электротехниче­ской стали, изолированных друг от друга с целью уменьшения потерь мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые то­ки. В пазах сердечника статора уложена трехфаз­ная обмотка статора, выполненная из изолированного провода и состоящая из трех отдельных обмоток фаз, оси которых сдвину­ты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. Обмот­ки фаз соединяются между собой звездой или треугольником, в зависимости от значения подводимого напряжения.

Ротор асинхронного электродвигателя изготовляют в двух исполнениях: короткозамкнутым и фазным (с контактными кольцами).

Короткозамкнутый ротор представляет собой ферромагнит­ный сердечник в виде цилиндра с пазами, в которые уложена об­мотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединяются между собой торцовыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку. В большинстве случаев клетка ротора отливается из алюминия или из сплава на его основе. Для уменьшения потерь мощности в магнитопроводе ротор, так же как и статор, собирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, выполнен­ную изолированным проводом, которая в конструктивном отно­шении мало чем отличается от обмотки статора двигателя. В большинстве случаев обмотка ротора соединяется в звезду. Сво­бодные концы обмотки подводятся к контактным кольцам рото­ра. В процессе работы контактные кольца скользят по неподвиж­ным щеткам при этом обеспечивают электрическое соединение обмотки вращающегося ротора с трехфазным неподвижным рео­статом, подключенный к счетчикам.

Такое устройство позволяет изменять активное сопротивле­ние электрической цепи ротора асинхронного двигателя в про­цессе его вращения, что необходимо для уменьшения значитель­ного пускового тока, а также для регулирования частоты вращения ротора асинхронного двигателя при работе и измене­ния пускового момента двигателя.

2.2.2 Принцип действия асинхронного двигателя

К обмоткам статора подводятся трехфазное напряжение, а ротор вращается посредством вращающегося магнитного поля, создаваемой системой трехфазного тока.

Рассмотрим вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи короткозамкнутого асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутым по окружности на и соединенными звездой.

Обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением. Начальную фазу тока в обмотке А принимаем равную нулю. Тогда:

Рисунок 2.2.1 Трехфазная система токов

В момент времени . Если ток фазы А положителен, т.е. течет от начало к концу, то, пользуясь правилом правоходного винта, можно найти картину распределения магнитного поля для времени t1.

В момент времени вектор результирющей магнитной индукции развернет угол и далее по часовой стрелке с периодом обращения . Для данного примера угол .

Таким образом магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой За период поле делает один оборот,, и является промышленной частотой питающей цепи переменного тока и напряжения.

При синусоидальном характере вращающегося поля его скорость no равна отношению (где p – число пар полюсов). В рассмотренном примере p = 1 и частота вращения соответственно 3000 оборотов в минуту. Если чисто катушек в каждой фазе увеличить в два раза, а сдвиг фаз сократить до , то частота вращения уменьшится в 2 раза, и будет равна 1500 оборотам в минуту. Особенностью короткозамкнутого асинхронного двигателя является наличие постоянной частоты вращения, определяемой числом пар полюсов.

Рисунок 2.2.2 Получение вращающегося магнитного поля статора

Если поменять местами любые две фазы, то возникает поле обратной последовательности и ротор начинает вращаться в другую сторону. Еще одной особенностью асинхронных двигателей является разность частоты вращения полей статора и ротора, что делает возможным их электромагнитное воздействие. При этом поле ротора будет как бы скользить относительно поля статора:

,

где s – скольжение, при номинальной мощности двигателя скольжение должно составлять 0,01 – 0,03.

Вращающий электромагнитный момент двигателя в соответствии с законом электромагнитных сил

,

где конструктивная постоянная; фазовый сдвиг между током и магнитным потоком.

Отношение максимального момента к номи­нальному определяет перегрузочную способность дви­гателя и составляет (дается в каталожных данных). Максимальный момент соответствует критическому скольжению , определяемому активными и индуктивны­ми сопротивлениями двигателя, и пропорционально актив­ному сопротивлению цепи ротора.

Зависимость момента двигателя от скольжения M=f(s) приведена на рис. 2.2.3.

На участке от до двигатель работает в ус­тойчивом режиме, а участок от называется режимом оп­рокидывания двигателя, при котором двигатель в резуль­тате перегрузки останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска. Пусковые свойства двигателя определяются соотношением пускового момента и номинального, в соответствии с каталожными дан­ными оно составляет . При пуске асинхронного двигателя очень мал и пусковой ток в обмотке стато­ра может возрастать в раз по сравнению с номиналь­ным. Ограничение его осуществляется изменением часто­ты питающего напряжения для двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличением активного сопротивления в цепи ротора для двигателя с фазовым ротором.

Рисунок 2.2.3.Зависимость момента двигателя от скольжения.

Основное вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС, так как при разомкнутом роторе асинхронный двигатель представляет собой трансформатор в режиме холостого хода.

где индекс 1 относится к параметрам статора, а 2 - к пара­метрам ротора; - обмоточные коэффициенты, опреде­ляемые способом укладки обмоток (петлевая или волно­вая).; ; - действующее значение ЭДС неподвижного ротора при .

В асинхронном двигателе кроме основного маг­нитного потока создаются потоки рассеяния. Один охва­тывает проводники статора, другой - ротора. Потоки рас­сеяния характеризуются соответствующими индуктивны­ми сопротивлениям .

Уравнения электрического состояния фаз обмоток статора и ротора:

2.2.3. Схема замещения и основные уравнения

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.

Рисунок 2.2.4Схемазамещения.

Уравнения цепи статора

Уравнение цепи ротора

Соотношение токов

2.2.4. Механическая характеристики асинхронного двигателя

Зависимость скорости вращения от нагрузки на ва­лу двигателя называется механической характеристикой асинхронного двигателя, рис 2.2.5.

Участок 2-3 механической характеристики соот­ветствует устойчивому режиму работы асинхронного дви­гателя. Увеличение нагрузки (тормозного момента) ведет к некоторому снижению частоты вращения ротора, что вы­зывает увеличение вращающего момента. При превыше­нии тормозным моментом критического двигатель останавливается. Точка 3 на графике соответствует точке кри­тического или опрокидывающего момента.

Рисунок 2.2.5. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Математическое описание:?

2.2.5. Потери энергии и КПД

Потери делятся на потери в статоре и в роторе. По­тери в статоре состоят из электрических потерь в обмотке и потерь в стали, а потери в роторе из электриче­ских и механическихплюс добавочные потери на трение и вентиляцию.

где определяется диаметром статора D,.

Потери в стали в рабочем режиме во много раз меньше электрических потерь в роторе и ими обычно пренебрегают.

Рисунок 2.2.6.Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

Отношение полезной мощности, развиваемой на валу, к мощности, потребляемой из сети, называется КПД двигателя и определяется по формуле:

КПД асинхронных двигателей зависит от их номинальных мощностей. Так как при увеличении номинальной мощности машины значение суммарных потерь уменьшается, то при возрастании, мощности машины КПД увеличивается. Поэтому у маломощных машин КПД составляет (40-60%), а в машинах средней мощности (70-90%).

2.2.6 Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Зависимости частоты вращения ротора , тока статора , момента на валу , к. п. д. и от мощности при называются рабочими характеристиками асинхронного двигателя. Типичный вид рабочих характеристик (в относительных единицах) показан на рис. 2.2.7.

Рабочие характеристики для двигателей небольшой мощности можно построить путем непосредственного измерения частоты вращения n, тока I₁ момента на валу М и мощности Р₂ при различных нагрузках двигателя, для чего используется электромагнитный (или какой-либо другой) тормоз, позволяющий изменять тормозящий момент. Однако такой метод построения рабочих характеристик не

Рисунок 2.2.7. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

всегда возможен, так как невсегда позволяет получить достаточно точные результаты, а в ряде случаев вообще трудноосуществим, особенно для двигателей большой мощности. В этом случае рабочие характеристики получают косвенным (например, используя круговые диаграммы) или расчетным путем (если известны параметры машины, полученные из ее расчета или из опытов холостого хода и короткого замыкания).

2.2.7 Пуск асинхронного двигателя.

Пуск асинхронного двигателя можно осуществлять несколькими способами:

1) Прямой пуск – обмотку статора подключают непосредственно к сети;

2) С пусковым реостатом - когда к обмотке фазного ротора подключают пусковой реостат;

3) Пуск при пониженном напряжении – когда к обмотке статора в момент пуска подведено пониженное напряжение.

Прямой пуск. Прямой пуск применяется для большинства двигателей с короткозамкнутым ротором. В этом случае обмотки статора подключают к цепи с помощью электромагнитного выключателя (рис.5). К недостаткам прямого пуска относятся: 1) малый пусковой момент и относительно большой пусковой ток Поэтому этот способ применяют тогда, когда не требуется большого пускового момента и мощность двигателя относительно мощности сети невелика, вследствие чего пусковой ток не вызывает недопустимого падения напряжения сети и перегрева проводов.

Рисунок 2.2.8. Схема включения асинхронного двигателя в сеть при прямом пуске.

Относительно небольшой пусковой момент при прямом пуске вызывает необходимость выбирать двигатель большей мощности, чем это требуется по условиям его работы. В самом деле, если зависимость тормозного момента от скорости , (n) и механическая характеристика двигателя М(п) имеют вид, показанный на (рис.2.2.9), то после включения обмотки статора к сети двигатель останется неподвижным при М_т<М_п несмотря на то что при установившемся режиме тормозной момент меньше номинального момента двигателя. Следовательно, согласно зависимости М,(п), необходимо выбирать двигатель большей мощности с таким расчетом, чтобы пусковой момент двигателя М_п был больше тормозного момента (М_п>М_т).

Рисунок 2.2.9. Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Пуск при пониженном напряжении. Когда мощность двигателя со- измерима с мощностью сети, используют различные способы снижения напряжения, подводимого к двигателю при пуске, что необходимо для уменьшения пускового тока. Однако снижение пускового тока вызывает нежелательное уменьшение пускового момента, поэтому такой способ применяют тогда, когда двигатель запускается вхолостую или при неполной нагрузке.

Если статорная обмотка нормально работающего двигателя соединена треугольником, то его можно пускать при пониженном напряжении, переключив в начале пуска статорную обмотку на звезду (рис.2.2.10), в результате чего напряжение, приходящееся на каждую фазу, уменьшается в раз, а пусковой момент – примерно в три раза.

Рисунок 2.2.10. Схема соединения статора асинхронного двигателя при пониженном напряжении.

Недостатком пуска при пониженном напряжении является значительное уменьшение пускового и максимального моментов для двигателя.

Пуск двигателейпусковым реостатом (фазным ротором). Пуск этих двигателей осуществляется с помощью пускового реостата, включенного в цепь ротора. Известно, что пусковой момент двигателя с увеличенным активным сопротивлением ротора больше, чем пусковой момент этого двигателя, если в цепь ротора не введено добавочное активное сопротивление, т. е. когда двигатель разгоняется по естественной характеристике. По естественной характеристике при тормозном моменте , двигатель не запускается. Однако искусственная характеристика, построенная для двигателя с введенным в цепь ротора добавочным активным сопротивлением, благоприятна для пуска. Если после пуска вывести добавочное сопротивление, то двигатель перейдет на естественную характеристику.

Так как пусковой реостат имеет несколько ступеней, то каждой из них соответствует своя искусственная механическая характеристика двигателя М (n) (кривые 1, 2, 3на рис. 2.2.11). По мере того как реостат выводится, двигатель при разгоне переходит с одной искусственной характеристики на другую, а по окончании процесса пуска реостат полностью выводится, вследствие чего двигатель переходит на естественную характеристику.

Рисунок 2.2.11. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором.

Введение добавочного активного сопротивления в цепь ротора при пуске, кроме увеличения пускового момента и обеспечения плавного пуска позволяет ограничивать пусковой ток в роторе и, следовательно, в статоре, что особенно важно, когда двигатель работает в режиме частых пусков.

Недостатками этого способа пуска являются длительность и сложность пуска, а также необходимость применять более дорогие двигатели c контактными кольцами, которые имеют меньший КПД и по сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором.

2.2.8Асинхронный двигатель с улучшенными пусковыми свойствами.

Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.

Ротор с двойной короткозамкнутой обмоткой был впервые предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (рис. 2.2.11).

Рисунок 2.2.11. Схема устройства ротора с двойной короткозамкнутой обмоткой.

Число пазов верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или раз­лично. Наружная обмотка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а внутренняя обмотка Б — из стержней большого поперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А ока­зывается значительно большим, чем ак­тивное сопротивление обмотки Б (). Вследствие того что стержни внутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью, индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем индуктивное сопро­тивление внешней обмотки ().

Принцип действия этого двигателя состоит в следующем. В мо­мент включения двигателя в сеть ротор неподвижен и частота тока в роторе равна частоте тока сети . Ток в обмотках А и Б рас­пределяется обратно пропорционально их полным сопротивле­ниям.

Так как реактивные сопротивления обмоток асинхронных ма­шин значительно больше их активных сопротивлений, то при пуске в ход распределение тока между обмотками А к Б примерно обрат­но пропорционально их индуктивным сопротивлениям. Поэтому при пуске в ход ток в основном протекает по проводникам внешней обмотки А, имеющей меньшее индуктивное и большее актив­ное сопротивление. Эта обмотка называется пусковой.

В рабочем режиме скольжение мало и, следовательно, частота тока в роторе также мала (). Поэтому индуктивные сопротивления обмоток не имеют значения и токи в обмотках А и Б обратно пропорциональны их активным сопротивлениям.

Таким образом, в рабочем режиме ток в основном протекает по проводникам внутренней обмотки Б, имеющим меньшее активное сопротивление. Эта обмотка называется рабочей. При такой конструкции ротора увеличивается активное сопротивление его обмоток в момент пуска в ход двигателя, что уменьшает пусковой ток и увеличивает пусковой момент так же, как включение пуско­вого реостата в цепь фазного ротора.

В двигателях с глубокими пазами на роторе коротко замкнутая обмотка ротора выполняется в виде тонких и высоких полос (рис. 2.2.12). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение

тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхние части.

Таким образом, ток, протекающий по проводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части, что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению актив­ного сопротивления этих проводников.

Рисунок 2.2.12. Схема устройства ротора с глубокими пазами.

Это явление оттеснения тока в верхние части проводников осо­бенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети, и, следовательно, при пуске в ход повышается активное сопротивление обмотки ротора, что увеличивает пусковой момент. При увеличении скорости вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается и ток более равномерно распределяется по сечению стержней, и при нормальной скорости вращения неравномер­ность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает. Пусковой момент двигателей этого типа , а пусковой ток .

Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.

Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей — несколько меньше К.П.Д. и максимальный момент, так как больше по­токи рассеяния, т. е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора.

2.2.9 Регулирование скорости вращения.

Ротор асинхронного двигателя вращается со скоростью:

Таким образом, регулировать скорость вращения можно путем изменения:

· числа пар полюсов р двигателя;

· частоты тока f, питающего статор;

· скольжения ротора S.

Число пар полюсов двигателя можно изменить, меняя количество и способ соединения катушек в каждой фазе обмотки статора. Две скорости вращения у двигателя с одной обмоткой получают переключением катушек одной фазы с последовательного на параллельное соединение.

Четырехскоростные двигатели имеют на статоре две обмотки.включая ту или иную обмотку и переключая катушки внутри обмоток с последовательного соединения на параллельное или наоборот, можно получить четыре разные скорости вращения.

В настоящее время электромашиностроительные заводы выпускают двухскоростные и многоскоростные (трех- и четырехскоростные) двигатели. Регулирование скорости вращения переключением числа пар полюсов производят только у двигателей с короткозамкнутым ротором. Для двигателя с фазным ротором этот способ неприменим, так как в этом случае необходимо было бы изменить число катушек и их, соединение в каждой фазе ротора.

Недостатками этого способа регулирования скорости вращения являются ступенчатое изменение скорости и наличие громоздкого многоконтактного переключателя. Кроме того, увеличиваются габаритов самого двигателя.

Рисунок 2.2.12. Механические характеристики при изменении числа пар полюсов

Регулирование скорости вращения изменением частоты, возможно лишь в том случае, если двигатель получает питание от отдельного синхронного генератора или от преобразователя частоты. Изменение частоты производится за счет регулирования скорости вращения генератора или преобразователя с помощью первичного двигателя. Этот способ регулирования применяется редко вследствие громоздкости и высокой стоимости агрегата для получения переменной частоты.

Рисунок 2.2.13. Механические характеристики при изменении частоты питания сети

Регулирование скорости вращения изменением скольжения применяют только для двигателей с фазным ротором, редкий и устаревший способ, в настоящее время почти не применяется. Скольжение зависит от активного сопротивления цепи ротора. Следовательно, при изменении активного сопротивления в роторе асинхронного двигателя будет изменяться скольжение, а значит, и наклон механической характеристики. Чем больше сопротивление в цепи ротора, тем меньше скорость его вращения. Таким образом, регулирование скорости двигателя можно производить с помощью реостата в цепи ротора. Однако пусковой реостатнельзя использовать для регулирования скорости: он рассчитывается на кратковременную нагрузку, а регулировочный реостат должен работать продолжительное время. Применяя реостат в цепи ротора, плавнорегулируют скорость, но при этом снижается к. п, д. двигателя.

Рисунок 2.2.14. Механические характеристики асинхронного двигателя с различными сопротивлениями в цепи ротора.

Этот способ регулирования применяют только для двигателей с фазным ротором, работающих главным образом в кратковременном режиме.

Возможна также регулировка скорости вращения изменением напряжения, подводимого к двигателю (). При этом, критический вращающий момент изменяется прямо пропорционально квадрату напряжения.

Рисунок 2.2.15. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения.

Реверс асинхронного двигателя. Направление вращения ротора зависит от направления вращения магнитного поля статора, поэтому для изменения направления вращения ротора следует изменить последовательность фаз. На практике это осуществляется путем перемены мест двух фаз. Для этого часто используют трехполюсные переключатели (рис3).

Рисунок 2.2.16. Схема реверса асинхронного двигателя.

Однофазный асинхронный двигатель. Одно- и двухфазные асинхронные двигатели. Принцип действия однофазных электродвигателей основан также на использовании вращающегося магнитного поля

Пусковая обмотка по отношению к основной уложена так, что направления их намагничивающих сил сдвинуты в пространстве на угол 90 эл.град. Последовательно с пусковой обмоткой включают фазосмещающий элемент (ф. э.— R, L или С), чем обеспечивают сдвиг по фазе токов основной и пусковой обмоток. Наилучший эффект смещения фаз дает включение конденсатора. Пространственный сдвиг осей магнитных полюсов двух обмоток на 90° и сдвиг по фазе токов в них создают условия для образования вращающегося магнитного поля (при фазовом сдвиге на 90° поле круговое, как в трехфазном двигателе). Таким образом, пусковой вращающий момент образуется при вращающемся магнитном поле. После разбега ротора пусковая обмотка отключается и двигатель продолжает работать при пульсирующем магнитном поле основной обмотки. Выпускают также двухфазные двигатели с двумя обмотками, занимающими по половине всех пазов статора, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток (основная - А) включена в сеть непосредственно, другая (вспомогательная - В) через конденсатор. Вспомогательная обмотка, в отличие от пусковой, вместе с конденсатором остается включенной и в рабочем режиме, поэтому двигатель называют конденсаторным.

Рисунок 2.2.17. Пример подключения однофазного асинхронного двигателя.