3.8. Ад с фазным ротором.

Рис. 1. Схема АД с фазным ротором [40]

Конструкции статора, корпуса, подшипниковых щитов и общая компоновка у АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором не имеют существенных отличий. На роторе расположена обмотка, имеющая столько же фаз, сколько и обмотка статора. В большинстве случаев обмотка соединяется в звезду, реже – в треугольник. Обмотка ротора имеет три вывода, которые подсоединяются к контактным кольцам, расположенным внутри корпуса или на выступающем конце вала. Во втором случае токоподводы от обмотки к контактным кольцам проходят по внутреннему отверстию вала. К контактным кольцам прилегают щетки. При пуске к щеточным контактам присоединяют реостат, а при работе замыкают накоротко [25].

3.8.1. Достоинства:

Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель. Отсюда вытекают основные достоинства АД с фазным ротором:

1) Лучшие пусковые свойства, обусловленные возможностью изменения сопротивления в цепи ротора (см.ниже).

2) Введение добавочных резисторов в цепь ротора позволяет регулировать частоту вращения АД. Необходимо, правда, отметить, что такой способ регулирования частоты вращения обладает рядом существенных недостатков (см. ниже).

3) Потери энергии за время переходных процессов в обмотках статора и ротора АД с фазным ротором значительно меньше аналогичных потерь энергии в короткозамкнутых АД [7].

3.8.2. Недостатки:

1) Худшие показатели по стоимости и массе по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором. При одинаковом исполнении и одинаковой синхронной скорости по массе он на 8-10% тяжелее, а по стоимости на 30% дороже [26], по стоимости дороже в 1,5 раза [13].

2) Наличие контактных колец, скользящих контактов и пусковых реостатов увеличивает общие габариты двигателя, снижает его надежность и усложняет конструкцию и эксплуатацию. Поэтому этот тип АД применяется значительно реже, чем АД с короткозамкнутым ротором.

3) При обычной схеме включения невозможно получить жесткие механические характеристики при пониженных скоростях в двигательном и тормозном режиме работы [7].

Эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства асинхронные двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю [40].

3.8.3. Область применения

АД с фазным ротором находят применение в следующих случаях [7]:

1) Когда требуется простая реализация регулирования угловой скорости в небольших пределах (напр.привод подъемного крана [9];

2) Когда требуется простая реализация плавного пуска; обеспечения хороших тормозных качеств; ограничения токов в переходных процессах в условиях, когда АД с короткозамкнутым ротором неприемлемы: например, когда момент сопротивления при пуске велик (и пуск при пониженном напряжении неприемлем, а прямой пуск двигателя недопустим по условиям воздействия больших пусковых токов на сеть); или когда суммарный момент инерции настолько велик, что выделяемая в цепи ротора тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев обмотки ротора в виде беличьей клетки [14].

То есть в приводах c тяжелыми условиями пуска и в механизмах, работа которых связана с частыми пусками и торможениями [7].

3.9. Характеристики АД

3.9.1. Механическая характеристика

3.9.1.1. Вид характеристики

Механическая характеристика (рис. 2а) - зависимость скорости вращения двигателя от момента нагрузки при фиксированном величине и частоте напряжения статора и параметров двигателя (сопротивлениях цепей статора и ротора).

Часто механическую характеристику АД представляют в виде зависимости момента от скольжения (рис. 2б)

Рис. 2а. Типовой вид механической характеристики АД

Рис. 2б. Механическая характеристика в координатах М(s) [20]

Проанализируем форму механической характеристики АД в координатах М(s), рассмотрев формулу (4):

Рис. 3 Зависимости параметров АД от скольжения [40]

cos 2 (косинус угла между векторами тока и ЭДС ротора) близок к 1 при малых s и асимптотически стремится к нулю при больших [40]. Магнитный поток Ф в первом приближении не зависит от s [40]. Ток ротора равен нулю при s = 0 и асимптотически стремится к U1/x2' при возрастании s [40]. Момент, как произведение трех сомножителей, равен нулю при s = 0 (идеальный холостой ход), достигает положительного Мк+ и отрицательного Мк- максимумов – критических значений при некоторых критических значениях скольжения ±sк, а затем при s→∞ стремится к нулю за счет третьего сомножителя [40].

3.9.1.2. Скорость идеального холостого хода

Ω₀ - скорость идеального холостого хода, называемая также синхронной скоростью и равная скорости вращения магнитного поля трехфазного АД:

Ω₀ = 2πf₁/p (13)

3.9.1.3. Пусковой момент

М_п - пусковой момент. В случае, когда момент сопротивления равен этому значению, речь ведут о моменте короткого замыкания. В первом приближении справедлива формула [20]:

(14)

Зависимость пускового момента от частоты напряжения можно выразить следующим образом:

,

где х =1,5 – 2,0 для авиационных двигателей [27].

3.9.1.4. Критический момент.

М_к или М_max– критический (максимальный, опрокидывающий) момент. В первом приближении справедливоа формула:

(15)

где U₁ – фазное напряжение, х_к =x₁+x₂’; R₁, x₁ – активное и реактивное (индуктивное) сопротивление фазы первичной цепи (статора); x₂’ - реактивное (индуктивное) сопротивление фазы вторичной цепи (ротора), приведенное к первичной цепи.

На значение критического момента существенно влияет напряжение питания. Например, снижение напряжения сети на 10-15% приводит к уменьшению критического момента и соответственно перегрузочной способности на 19-28% [7]. Это является одним из недостатков АД.

3.9.1.5. Участки механической характеристики

Механическую характеристику (рис. 2а) можно разделить на две части:

- рабочий участок (от Ω₀ до точки а), где возможна работа АД в установившемся режиме по разомкнутой схеме.

- участок неустойчивой работы (от точки а – точки критического скольжения, до точки b – точки пуска), где такая работа невозможна.

Условие устойчивой работы АД: dM/dΩ<dM_c/dΩ.

Обычно dM_c/dΩ0 [25], поэтому часто условие устойчивой работы АД выглядит так: dM/dΩ<0 или dM/s>0.

Рабочий участок механической характеристики может быть линеаризован прямой [24]:

3.9.1.6. Выражение для электромагнитного момента

Если АД не имеет на роторе двойной или глубокопазной обмотки, то связь между его моментом М и скольжением можно выразить следующей формулой.

Уравнение механической характеристики можно получить, приравняв потери в роторной цепи, выраженные через механические и через электрические величины.

Согласно (11) ΔР_эл2 = МΩ₀s . Кроме того, по известной формуле:

ΔР_эл2=3I'₂²R'₂ (16)

Выразим из уравнений (11) и (16) электромагнитный момент. С учетом принятых допущений в первом приближении справедливо следующее выражение:

(17)