1.4 Асинхронные машины

В теории асинхронных машин основными являются следующие вопросы:

- создание магнитного поля взаимодействием МДС статора и ротора;

- основные уравнения рабочего процесса, векторные диаграммы, схемы замещения;

- исследование работы асинхронных машин с помощью схемы замещения и круговой диаграммы;

- пуск и регулирование частоты вращения асинхронных двигателей;

- вращающий момент асинхронного двигателя, механические характеристики. Влияние высших гармоник на вращающий момент;

- потери и КПД асинхронной машины. Энергетическая диаграмма;

- переходные процессы;

- несимметричные режимы работы двигателя;

однофазный асинхронный двигатель и его особенности;

- асинхронный генератор.

Принцип действия. В асинхронной машине одну из обмоток размещают на неподвижном статоре (1),а вторую – на вращающемся роторе (3)

Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности меньшим.

Обмотка статора (2) представляет собой трехфазную обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки АХ, ВУ и СZ соединяют по схеме Y или ∆ и подключают к сети трехфазного тока.

Обмотку ротора выпускают трехфазной или многофазной и размещают вдоль окружности ротора. Ее фазы в простейшем случае замыкают накоротко.

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого .

Двигательный режим. Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках обмотки ротора ЭДС и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент. На рисунке согласно правилу правой руки показано направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф, по часовой стрелке.

При этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС, поэтому условное обозначение показывает и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы. Их направление определяется правилом левой руки. Суммарное усилие , 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 вращениясоответствует равенству электромагнитного момента тормозному, приложенному к валу, от приводимого во вращение механизма и внутренних сил трения. Такой режим работы АМ являетсядвигательным и .

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

При двигательном режиме 1>S>0. Реальная машина имеет S_н= 0,02-0,05.

S>0, I_a2>0, I_r2>0. Значение (-jI_r2) показывает, что ток I_r2 поворачивается относительно I_a2 в сторону вращения часовой стрелки на 90⁰ (т.е. отстает и является индуктивным).

Векторная диаграмма в двигательном режиме такая же, как для трансформатора, только величина тока намагничивания I_μ намного больше.

Генераторный режим. Если ротор АМ разогнать с помощью внешнего момента в сторону вращения магнитного поля до частоты, , то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора.

S<0, I_r2>0 , а I_a2 меняет знак, т.е. становится отрицательной и меняет фазу на 180⁰. Физически это означает, что поле вращается относительно ротора по сравнению с двигательным режимом в обратную сторону, следовательно, меняются знаки ЭДС Е_2s и активной составляющей тока ротора I_a2.

В результате изменяется знак вращающегося момента, т.е. он действует против направления вращения ротора и становится тормозящим.

Векторная диаграмма строится по уравнению токов I₁=I_μ+(-I₂^/).

I_1a=I₁Cosφ₁<0

P₁=m₁U₁I₁ Cosφ₁<0

Следовательно, в генераторном режиме АМ получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую и отдает в сеть.

Реактивные составляющие I_1r=I₁Sinφ₁ и Q₁= m₁U₁I₁ Sinφ₁ при переходе из двигательного режима в генераторный сохраняют знаки, т.е. генератор также потребляет из сети реактивную мощность и реактивный (индуктивный) ток. Следовательно, генератор может работать только на сеть, к которой подключены такие машины, как СГ или синхронные компенсаторы, конденсаторы, которые могут являться источниками реактивной мощности, потребляемой АГ для создания в нем магнитного поля или магнитного потока. Это их недостаток.

Режим противовключения. Если изменить направление вращения ротора (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как и в двигательном режиме, то есть машина будет получать из сети активную мощность. Но в данном режиме электромагнитный момент М направлен против вращения ротора, то есть является тормозящим. Так как ротор вращается в обратном направлении (относительно направления магнитного поля), то , а

Таким образом, характерная особенность асинхронной машины - наличие скольжения, т.е. неравенство частот вращения и. Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возникает электромагнитный момент.

Поэтому машину называют асинхронной (т.е. ротор вращается не синхронно с полем). Чаще используется в двигательном режиме.

По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами). Статоры одинаковой конструкции, выполнение ротора – различно.

Области применения. Конструктивно двигатели с короткозамкнутым ротором проще, чем двигатели с фазным ротором и более надежны в эксплуатации. Недостатки: небольшой пусковой момент и высокий пусковой ток. Поэтому их используют, где не требуются большие пусковые моменты (электроприводы металлообработки станков, вентиляторов и т.п.).

В двигателе с фазным ротором имеется возможность увеличить пусковой момент с помощью реостата и уменьшить пусковой ток. Применяется для приводов машин и механизмов, которые пускают при большой нагрузке электроприводных грузоподъемных машин.

Комплексные уравнения и векторные диаграммы АМ выглядят так же, как и для трансформатора в режимах холостого хода и при нагрузке.

Но в АМ имеется вращающийся магнитный поток, который вызывает особенности при взаимодействии токов в первичной и вторичной обмотках.

Так как фазы обмотки ротора сдвинуты в пространстве, а токи в них имеют временной сдвиг, они создают бегущую волну МДС ротора , частота вращения которого

, где

- частота тока ротора; - число пар полюсов ротора

Т.к. при неподвижном роторе ЭДС в обмотках статора и ротора имеют одинаковую частоту, т.е.

, то

АМ может работать только при равенстве частот вращения бегущих волн МДС статора и ротора, следовательно,статор и ротор должны иметь одинаковое число полюсов, т.е. .

При этом условии бегущие волны МДС ротора и статора будут неподвижны друг относительно друга, и будут взаимодействовать между собой, обеспечивая передачу мощности из статора в ротор, как и в трансформаторе.

Схема замещения АМ с заторможенным ротором аналогична схеме замещения трансформатора, но ее параметры определяются другими коэффициентами приведения.

- коэффициент, трансформации ЭДС.

- коэффициент приведения токов

Из равенства электрических потерь , получаем

Из равенства относительных индукционных падений напряжений , находим

Величину называют коэффициентом приведения сопротивлений.

Теория работы АМ с заторможенным ротором подобна теории работы трансформатора, но использовать ее в качестве трансформатора невыгодно, т.к. она намного дороже и имеет худшие эксплуатационные характеристики.

Фазорегулятор: используется в схемах автоматики для компенсации фазовой погрешности; в управляемых выпрямителях; устройствах для испытаний электроизмерительных приборов.

Смысл работы заключается в том, что ротор АМ установлен в положении, при котором оси одноименных фаз ротора и статора совпадают, и вращающийся магнитный поток пересекает их одновременно, следовательно, иимеют одинаковую фазу. Но если повернуть ротор навстречу магнитному потоку на угол α, то магнитный поток будет набегать на фазу ротора, а затем одноименную фазу статора. Поэтомубудет опережатьпо фазе на угол α. Поворачивая ротор в одну или другую сторону, можно получить требуемую фазу ЕДС

Индукционный регулятор – представляет собой поворотный автотрансформатор, его используют для регулирования трехфазного переменного напряжения, подаваемого на какое – либо устройство. Схема индукционного регулятора аналогично схеме трехфазного автотрансформатора.

Вопросы для самопроверки

1. Как меняется скольжение при работе асинхронной машины в режимах двигателя, генератора и электромагнитного торможения?

2. Объясните, почему скольжение и Cosφ не равны нулю при реальном холостом ходе?

3. Как определить пусковой ток и пусковой момент по круговой диаграмме?

4. Как зависит момент асинхронного двигателя от скольжения? От напряжения сети?

5. В чем различие между схемами замещения и векторными диаграммами асинхронного двигателя и трансформатора?

6. Для чего применяются глубокопазные асинхронные двигатели? Двухклеточные асинхронные двигатели?

7. Как можно регулировать частоту вращения асинхронных двигателей?

8. Что такое перегрузочная способность?

9. Какие потери имеются у асинхронной машины?

10. Объясните устройство и принцип действия индукционного регулятора.

11. Объясните устройство и принцип работы сельсина.

12. На чем основан принцип действия асинхронного преобразователя частоты?