II. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД.

I. Устройство и условное обозначение на схемах.

Асинхронный двигатель.

Лекция №12

Вопросы:

  1. устройство и условное обозначение на схемах.
  2. Получение вращающегося магнитного поля и принцип действия АД
  3. Схема замещения и векторная диаграмма АД
  4. Электромагнитный момент
  5. Механическая характеристика
  6. Способы пуска
  7. Регулирование частоты вращающегося двигателя
  8. Однофазный АД. Принцип действия.

Преимущество АД:

  1. Принципиальное отсутствие коллектора, поэтому двигатель более подвижен.
  2. Имеет меньшие габариты, вес и материалоемкость а значит меньшую стоимость.
  3. Питается от сети синусоидального тока

Недостатки АД:

  1. Маленький пусковой момент
  2. 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 .