II. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД.
I. Устройство и условное обозначение на схемах.
Асинхронный двигатель.
Лекция №12
Вопросы:
- устройство и условное обозначение на схемах.
- Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД
- Схема замещения и векторная диаграмма АД
- Электромагнитный момент
- Механическая характеристика
- Способы пуска
- Регулирование частоты вращающегося двигателя
- Однофазный АД. Принцип действия.
Преимущество АД:
- Принципиальное отсутствие коллектора, поэтому двигатель более подвижен.
- Имеет меньшие габариты, вес и материалоемкость а значит меньшую стоимость.
- Питается от сети синусоидального тока
Недостатки АД:
- Маленький пусковой момент
- Узкий диапазон регулирования частоты вращения электрическими методами.
Асинхронный двигатель состоит из статора, ротора и подшипниковых щитов (рис. 11.1). Статор – неподвижная часть двигателя – имеет цилиндрическую форму. Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и обмотки 3. Корпус литой стальной или чугунный. Магнитопровод статора собирается из тонких листов электротехнической стали. На внутренней поверхности он имеет пазы, в которые укладывается обмотка статора. Ротор асинхронного двигателя – вращающаяся часть – состоит из стального вала 4, магнитопровода 5, набранного из листов электротехнической стали с выштампованными пазами. Обмотка ротора бывает короткозамкнутой или фазной. Короткозамкнутая обмотка выполняется из алюминиевых или медных стержней, замкнутых с обоих торцов ротора накоротко. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, соединенную в звезду. Выводы обмотки подсоединены к кольцам на валу и с помощью щеток подсоединяются к реостату или другому устройству. Вращающийся ротор размещают на общем валу cо статором. Вал вращается в подшипниковых щитах. Соединение обмотки статора осуществляется в коробке, в которую выведены начала фаз С1, С2, С3 и концы фаз С4, С5, С6. На рис. 11.2 показаны схемы расположения этих выводов (рис. 11.2 а) и способы соединения их между собой при соединении фазных обмоток звездой (рис. 11.2 б) и треугольником (рис. 11.2 в).
Рис. 11.1 |
Если в паспорте двигателя указаны два напряжения, например, 380/220, то большему напряжению соответствует соединение звездой, более меньшему – треугольником. В обоих случаях напряжение на фазе двигателя равно 220 В.
а) б) в)
Рис. 11.2
Основой действия асинхронного двигателя является вращающееся магнитное поле. Принцип получения вращающегося магнитного поля заключается в том, что если по системе проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле.
Рассмотрим получение вращающегося поля в трехфазном двигателе. На рис. 11.3 показаны три фазные обмотки A – X, B – Y, C – Z, каждая в виде одного витка. От источника питания к обмоткам подводится трехфазная система токов
;;. (11.1)
Положительные направления токов приняты от начала обмотки к концу, а соответствующие им пульсирующие магнитные потоки образуют трехфазную звезду .
Рассмотрим результирующий магнитный поток для нескольких моментов времени.
В начальный момент времени при = 0
а) б)
Рис. 11.3
Им соответствуют магнитные потоки
; ; ,
где – максимальное значение потока фазы.
Результирующий магнитный поток в 1,5 раза больше фазного и направлен по вертикали вниз.
В момент времени токи в обмотках
.
Этим токам соответствуют магнитные потоки
; .
На рис. 11.4 б показаны векторы результирующего магнитного потока и его составляющие. Направление потока отличается от предыдущего на 90°, а его значение не изменилось
.
В момент времени , соответствующий , токи в обмотках:
Этим токам соответствуют магнитные потоки
.
На рис. 11.4 в показаны результирующий магнитный поток и его составляющие. По сравнению с начальным моментом времени результирующий магнитный поток изменил направление на 180°, а его значение осталось неизменным и равным
.; .
Таким образом, трехфазная обмотка, питаемая сдвинутыми на 120° токами, создает вращающееся магнитное поле. Результирующий поток остается неизменным и равным 1,5 от максимального потока фазы. Направление этого потока всегда совпадает с направлением магнитного потока той фазы, ток в которой в данный момент максимален. Поэтому для изменения направления вращения необходимо поменять местами любые две фазы.
Рассмотренные примеры относятся к двухполюсному исполнению обмотки () при частоте вращения поля . В общем случае частота вращения поля
,
где – число пар полюсов машины; – частота тока статора.
Итак, трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со скоростью
.
Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.
Отношение
(11.3)
Рис. 11.5 |
или
(11.4)
называется скольжением асинхронной машины.
В зависимости от соотношения и различают три режима работы: в режиме двигателя; в режиме генератора; в режиме электромагнитного тормоза.
Работа в режиме двигателя. На рис. 11.5 показано магнитное поле статора, вращающееся по часовой стрелке. При линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью . Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом – от нас. То же направление имеют и активные составляющие токов в проводниках. Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость , с которой вращается двигатель, зависит от его нагрузки. При холостом ходе скорость становится почти равной , так как при = 0 ЭДС и токи в роторе равны нулю и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина работает в режиме двигателя в пределах от = 0 до , т.е. при скольжении от +1 до 0. При этом электрическая энергия, подводимая к статору из сети, преобразовывается в механическую энергию на валу.
Работа в режиме генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью . В этом случае скольжение будет отрицательным, а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с работой в режиме двигателя. Момент на валу становится тормозящим по отношению к вращающему моменту первичного двигателя. Асинхронная машина работает генератором. Механическая энергия, подведенная к валу, преобразовывается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом, асинхронная машина может работать в режиме генератора параллельно с сетью в пределах от до , т.е. при скольжении от до .
Работа в режиме электромагнитного тормоза. Допустим, что ротор приводится во вращение против направления вращения магнитного потока статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон – электрическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим работы называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от до . Примером практического применения режима электромагнитного тормоза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.
III. Схема замещения и векторная диаграмма асинхронного двигателя
При анализе работы асинхронной машины используют схему замещения. Переход от схемы с электромагнитной связью к схеме с электрической связью показан на (рис. 11.6). На схеме замещения (рис. 11.6 а) электромагнитная связь осуществляется через основной магнитный поток , который индуктирует в обмотке статора ЭДС , а в обмотке вращающегося ротора – ЭДС , определяемые уравнениями (11.5) и (11.8). Схема замещения (рис. 11.6 б) соответствует неподвижному ротору, для которого индуктивное сопротивление равно , активное – . При этом ЭДС ротора определяется выражением (11.9), а уравнение электрического равновесия для цепи ротора имеет вид
. (11.23)
Умножив это равенство на коэффициент трансформации ЭДС (11.11) с учетом (11.12) и (11.21) получим
, (11.24)
где – приведенное активное сопротивление фазы ротора; – приведенное индуктивное сопротивление фазы ротора.
Рис. 11.6
Уравнение (11.24) позволяет перейти к схеме замещения (рис. 11.6. в) с электрической связью между статором и ротором. В ветви намагничивания протекает ток , который согласно (11.20) и схеме замещения
(рис. 11.6 в) определяется по формуле
.
Падения напряжения от этого тока на сопротивлениях и равны ЭДС: .
Уравнение электрического равновесия для цепи статора
(11.25)
аналогично уравнению (9.7) для первичной цепи трансформатора.
Рис. 11.7 |
Схеме замещения (рис. 11.6 в) и уравнениям (11.24) и (11.25) соответствует векторная диаграмма (рис. 11.7). Из рис. 11.18 видно, что с увеличением момента нагрузки на валу и, следовательно, скольжения, возрастает ток ротора . Из векторной диаграммы следует, что одновременно увеличивается ток статора и уменьшается фаза . С увеличением тока увеличиваются падения напряжения на статоре и когда падение напряжения становится соизмеримым с напряжением , угол вновь возрастает.
В режиме холостого хода ток ротора 0, угол сдвига тока статора относительно напряжения сети близок к .