- •Асинхронные машины
- •Режимы работы асинхронных машин
- •Режимы работы асинхронных машин
- •Режимы работы асинхронных машин
- •Уравнения напряжений асинхронного двигателя
- •Уравнения напряжений асинхронного двигателя
- •Уравнения напряжений асинхронного двигателя
- •Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя
- •Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя
- •Потери и КПД асинхронных двигателей
- •Потери и КПД асинхронных двигателей
- •Потери и КПД асинхронных двигателей
Асинхронные машины
Асинхронные машины – самый распространенный вид бесколлекторных электрических машин переменного тока.
Преобладающее применение – асинхронные двигатели (АД), составляющие основу современного электропривода
Области применения: от привода устройств автоматики и бытовой техники до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т.п.).
Мощность АД: от долей ватта до тысяч киловатт.
Напряжение питания: от десятков вольт до 10 киловольт.
Наибольшее применение нашли трехфазные асинхронные двигатели.
Режимы работы асинхронных машин
В соответствии с принципом обратимости АМ могут работать как в
двигательном, так и в генераторном режимах.
Кроме того, возможен и режим электромагнитного торможения противовключением.
Режимы работы асинхронных машин |
|||||||||||||||||||||||||||||
Двигательный режим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
F1 |
|
|
Ф |
|
|
E2 |
|
|
|
Fэм |
|
Mэм |
|
n2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
I |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Электромагнитный момент Mэм в этом режиме – вращающий. |
|||||||||||||||||||||||||||||
Под действием момента Mэм ротор двигателя приходит во вращение |
|||||||||||||||||||||||||||||
с частотой n2< n1 в сторону вращения поля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Q1 |
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
АМ |
|
ИМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
сеть |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
P1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скольжение S n1 n2 100%
n1
В режиме двигателя 0 S 1
относительная разность частот вращения ротора и магнитного поля
При пуске АД: n2 0 S 1; в режиме х.х.: n2 n1 S 0 ; В номинальном режиме: Sном (1 8)%
Режимы работы асинхронных машин
Генераторный режим
Если обмотку статора подключить к сети, а ротор АМ вращать приводным двигателем в направлении вращения магнитного поля с частотой n2>n1, то
ротор будет обгонять поле статора, а ЭДС наведенная в обмотке ротора изменит свое направление.
|
|
Q |
|
|
P1 |
|
|
|
||||
сеть |
АМ |
|
ПД |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
P2 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Электромагнитный момент Mэм в этом режиме – тормозящий |
||||||||||||
по отношению к вращающему моменту ПД. |
|
|
||||||||||
В режиме генератора |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
S 0 |
|
|
|
|
|
Особенность работы АГ: вращающееся магнитное поле создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность P2.
Т.о. для работы АГ необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора.
Режимы работы асинхронных машин
Режим электромагнитного торможения противовключением
Если у работающего трехфазного АД поменять местами любую пару
подключенных к сети выводов, то поле статора изменит направление вращения на обратное, а ротор АМ под действием сил инерции будет
продолжать вращение в прежнем направлении.
При этом электромагнитный момент машины Mэм, направленный в
сторону вращения магнитного поля статора, будет оказывать на ротор
тормозящее воздействие.
Активная мощность, поступающая в машину из сети, затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на
торможение. |
|
|
|
|
|
|
S n1 |
( n2 ) |
|
n1 n2 |
|
||
В этом режиме n2<0, тогда |
|
1 |
||||
n |
||||||
|
|
n |
|
|
||
|
|
1 |
1 |
|
Общий вывод:
Характерной особенностью АМ является неравенство частот вращения магнитного поля статора n1 и ротора n2 , т.е. наличие скольжения, т.к.
только в этом случае в обмотке ротора наводится ЭДС и возникает электромагнитный момент.
Уравнения напряжений асинхронного двигателя
Между обмотками статора и ротора АД существует только магнитная связь. Энергия из обмотки статора в ротор передается магнитным полем.
Асинхронная машина в этом смысле аналогична трансформатору:
-обмотка статора – первичная;
-обмотка ротора – вторичная обмотка.
МДС статора и ротора наводят в магнитной системе АМ результирующий магнитный поток, вращающийся с частотой n1, и состоящий из основного
магнитного потока Ф, сцепленного с обмотками и статора и ротора, и двух
потоков рассеяния Ф 1 и Ф 2.
Уравнение напряжения обмотки статора:
Основной магнитный поток наводит в обмотке статора ЭДС
E1 4,44Фf1 w1kоб1 .
Поток рассеяния Ф 1 наводит ЭДС рассеяния Е 1, значение которой
определяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора
E 1 j I1x1,
где x1 – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора.
Уравнения напряжений асинхронного двигателя
Для обмотки статора по второму закону Кирхгофа:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
I1r1. |
|
|||||
|
|
|
U1 |
E1 |
E 1 |
|
|||||
|
U ( E ) j I x I r |
|
|
- уравнение напряжений |
|||||||
или |
|
1 |
|
|
1 |
1 |
1 1 |
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||
обмотки |
|
статора |
АД |
|
(аналогичное |
|
уравнению напряжений |
||||
|
|
|
первичной обмотки трансформатора).
Уравнение напряжения обмотки ротора:
Ротор АД вращается в сторону вращения поля с частотой n2. Поэтому
частота вращения поля статора относительно ротора nS= n1- n2
При этом основной магнитный поток индуцирует в обмотке ротора ЭДС
|
|
|
|
E2S 4,44Фf2 w2kоб |
, |
|
|
|
||||
где f2 |
– частота ЭДС в обмотке ротора. |
|
2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
f2 |
pnS |
|
p(n1 n2 ) |
, |
или f2 |
p(n1 n2 ) |
n1 |
pn1 |
n1 n2 . |
|||
|
|
|
||||||||||
|
|
60 |
60 |
|
|
|
60 |
n1 |
60 |
n1 |
||
|
|
|
f2 f1 S. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.е. частота ЭДС (тока) обмотки ротора пропорциональна скольжению. При частоте f1=50 Гц и Sн=5% f2=2,5 Гц
Уравнения напряжений асинхронного двигателя
Подставим f2 f1 S и получим |
|
|
|
|
E2S 4,44 f1 S Ф w2 kоб |
E2 S, |
|
|
|
2 |
|
где Е2 – ЭДС, наведенная в обмотке ротора при S =1, т.е. |
при |
||
неподвижном роторе. |
|
|
|
Поток рассеяния Ф 2 наводит в обмотке ротора ЭДС рассеяния Е 2, |
значение которой определяется индуктивным падением напряжения в |
||||||
обмотке ротора |
E |
j I |
|
x |
|
S, |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
где x2 – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора при неподвижном роторе.
По второму закону Кирхгофа для обмотки ротора: |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
I2r2 |
||||
или |
E2 S |
E2S |
E 2 |
||||
j I2 x2 |
S I2r2 |
0. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Разделим на S |
|
j I2 x2 I2r2 |
S 0. |
- уравнение напряжений |
|||
E2 |
для обмотки ротора
Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя
Основной магнитный поток Ф в АД создается совместным действием МДС
обмоток статора F1и ротора F2: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Rм |
, |
|
|
|
|
|
Ф (F1 |
F2 ) Rм |
F0 |
|
|
|
|||
где Rм – магнитное сопротивление магнитной цепи АД; |
|
|
|
||||||
F0 – результирующая МДС, равная МДС обмотки статора в |
|
||||||||
|
режиме х.х.: |
F0 0,45m1I0w1kоб |
p , |
|
|
|
|||
I0 – ток х.х. в обмотки статора. |
|
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
МДС обмоток статора и ротора на один полюс в режиме нагруженного |
|||||||||
двигателя |
F1 |
0,45m1I1w1kоб |
p , |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
F2 0,45m2 I2w2kоб2 p. |
|
|
|
|||||
При изменении нагрузки на валу АД меняется ток в статоре I1 и роторе |
|||||||||
I2, но основной магнитный поток Ф при этом остается неизменным, т.к. |
|||||||||
напряжение, подведенное |
к обмотке |
статора, неизменно |
(U =const) и |
||||||
почти полностью уравновешивается ЭДС обмотки статора |
|
1 |
|
||||||
U1 |
( E1) |
Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя
Т.к. ЭДС Е1 пропорциональна основному магнитному потоку |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
E1 4,44Фf1 w1kоб1 , |
|
|
|
|
|
|||||||||||
то поток при изменении нагрузки остается неизменным. Следовательно и |
||||||||||||||||||||||
результирующая МДС остается неизменной: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- уравнение МДС |
|
||||
|
|
|
|
F0 |
F1 F2 const, |
|
||||||||||||||||
0,45m I |
w k |
|
p 0,45m I w k |
p |
0,45m I w |
k |
об |
p , |
||||||||||||||
1 0 1 об |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 1 об |
|
|
|
|
2 2 2 |
|
|
||||
Разделим на |
m11w1kоб |
|
p , |
1 |
|
|
|
I , |
|
|
2 |
|||||||||||
|
|
|
I |
|
|
|
I |
|
I |
|
m2w2kоб2 I |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
m w |
|
|
|
|
|
m w k |
об1 |
|
|
|
||||||||||
где I I |
k |
об2 |
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
2 |
2 |
|
|
|
|
- ток ротора, приведенный к обмотке статора. |
||||||||||||||||
m w k |
|
|
|
|||||||||||||||||||
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
1 |
|
|
об |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Уравнение токов АД: |
|
|
|
1 |
I1 I0 ( I2 ), |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Ток статора I1 |
имеет две |
|
намагничивающую (постоянную) |
|||||||||||||||||||
составляющие: I0 - |
составляющую и (-I2) - переменную составляющую, компенсирующую размагни- чивающее влияние тока ротора.
Потери и КПД асинхронных двигателей
Преобразование электрической энергии в механическую в АД
сопровождается потерями энергии: |
P2 P1 P. |
|
|
Потери P : основные и добавочные. |
Основные потери: магнитные, электрические, механические.
Магнитные потери: Pм Pгист Pв.т. - потери на гистерезис и вихревые токи происходят в основном в сердечнике статора при его перемагничивании.
Т.к. частота перемагничивания равна частоте тока в обмотке, а для ротора
f2 f1 S 2,5 Гц (при частоте f1=50 Гц и Sн=5%) и магнитные потери в сердечнике ротора в практических расчетах можно не учитывать
Электрические потери возникают при протекании электрического тока по
обмоткам и приводят к их нагреву
Pэл Pэл1 Pэл2 m1 I12 r1 m2 I22 r2
Электрические потери в роторе пропорциональны скольжению
Pэл2 S Pэм,
где Pэм P1 (Pм Pэл1 ) - электромагнитная мощность АД.