Раздел 3. Электропривод на базе асинхронных двигателей

3.1. Введение

Асинхронные двигатели являются самым распространенным типом электродвигателей. На долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью [16]. Суммарный объем электроэнергии, используемой для приведения в движение всех приводов с асинхронными двигателями, составляет более 50% всей потребляемой электроэнергии [41].

Широкое распространение асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

3.2. Область применения на ЛА

Свое применение нашли АД и в составе электропривода на летательных аппаратах. В частности, на самолетах Ту-154, Ил-62, Ил-76, Ил-86, у которых основной системой электроснабжения является система переменного тока стабильной частоты, АД используется в качестве привода управления закрылками, управления стабилизаторами и в топливных системах. Их количество на некоторых объектах составляет более двух десятков. В автоматизированных системах, в пилотажно-навигационном комплексе и приборном оборудовании широко используются двухфазные асинхронные микродвигатели [27].

3.3. Устройство АД

1) Неподвижный статор с (как правило) тремя фазными обмотками, образующими полюса, и сдвинутыми в пространстве на 120 град.

Обмотка статора обычно выполняется с кремний-органической изоляцией. В авиационных АД сравнительно небольшой мощности (до 1,5 кВт) применяются, как правило, однослойные обмотки, - более простые по технологии изготовления. При использовании таких обмоток отсутствует межкатушечная изоляция и увеличивается коэффициент заполнения паза медью.

Двухслойные обмотки применяются в АД относительно большой мощности. Они обеспечивают лучшую форму магнитного поля в двигателях. Двухслойные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу в двигателях используют редко, так как при этом не обеспечивается приемлемая форма магнитного поля.

2) Подвижный короткозамкнутый или фазный ротор.

Обмотка ротора в некоторых маломощных двигателях выполняется путем отливки под давлением из алюминия [27].

В маломощных АД воздушный зазор между статором и ротором составляет 0,2 – 0,3 мм, в двигателях большой мощности – несколько миллиметров.

3.4. Принцип действия АД

На три фазы статорной (первичной) обмотки АД подается переменное напряжение u_a=U_msin(t), u_b=U_msin(t-/3); u_c=U_msin(t-2/3), где =2πf₁.

В обмотках начинают протекать фазные токи, также сдвинутыми относительно друг друга на 120 эл.градусов.

Возникает магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью Ω₀=2πf₁/p.

Явление вращающегося магнитного поля открыл в 1885 году Галилей Феррарис [37].

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора (вторичной обмотки) и индуцирует в ней ЭДС:

E₂=4,44w₂f₂Ф_m=4,44w₂ s f₁Ф_m = с₂(Ω₀-Ω)Ф_m, (1)

где Ф_m – амплитуда магнитного потока, пронизывающего проводники ротора. Формула (в части коэффициента 4,44 справедлива для синусоидально изменяющегося потока).

Направление E₂ определяется по правилу правой руки. Наведенная ЭДС создает в замкнутой обмотке токи. Ток ротора возбуждает в роторе поле рассеяния, индуктирующее в свою очередь в обмотке ротора ЭДС рассеяния ротора E_2, также в свою очередь влияющую на величину тока в обмотке ротора. Окончательно действующее значение тока в обмотке ротора

, (2)

где r₂ – активное сопротивление обмотки ротора, x₂=E_2/I₂=L₂=2f₂L₂ – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора.

Индуктивное сопротивление (индуктивность) стержней ротора мало, ток практически совпадает по фазе с ЭДС [27].

Поле ротора, вращается синхронно с полем статора и образует общий вращающий поток двигателя.

Поле ротора индуцирует в обмотке статора ЭДС [39]:

, (3)

где k_w1– обмоточный коэффициент; величина k_w1 < 1; введением этого коэффициента учитывают уменьшение результирующей ЭДС при геометрическом сложении ЭДС отдельных витков обмотки, распределенных по пазам статора.

В результате взаимодействия токов ротора с магнитным потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы, направление которых определяется по правилу левой руки, и вращающий электромагнитный момент.

, (4)

где ₂ – угол сдвига между векторами I₂ и E₂ [40]:

Угол ₂ зависит от соотношения индуктивного сопротивления ротора х₂ и активного сопротивления ротора R₂. В момент пуска, когда х₂ >> R₂, угол ₂ приближается к 90 град, а cos ₂ имеет малые значения, поэтому даже при максимальных значения E₂, наблюдаемых при пуске, пусковой момент АД невелик [47].

(5)

с_м – коэффициент

(6)

При этом для создания момента необходимо, чтобы поток статора пересекал бы проводники ротора, т.е, чтобы статорное поле вращалось со скоростью выше частоты вращения ротора. Эта разница в скорости вращения называется скольжением.

, (7)

где Ω_р – угловая скорость поля ротора относительно ротора.

Таким образом, отличительной особенностью АД, давшей ему название, является то, что поле статора и ротор вращаются с разными скоростями, т.е. не синхронно или асинхронно.

Частота ЭДС (токов) обмоток ротора

(8)

Между обмотками статора и ротора существует только магнитная (трансформаторная) связь, называемая также индуктивной, вследствие чего асинхронные машины в зарубежной литературе называют также индукционными.

Другими словами, принцип работы АМ основан на использовании взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными (индуцированными) этим полем в обмотках ротора. Поэтому такие машины называют индукционными [27].