Асинхронные машины: устройство и принцип действия, механические и рабочие характеристики, способы пуска и регулирование частоты вращения.

Асинхронные машины– наиболее распространенные электрические машины. В основном их используют в качестве электрических двигателей. Благодаря простоте устройства и высокой надежности их широко применяют для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов, и т.д.

Асинхронная машина состоит из подвижной и неподвижной части (рисунок 6.1). Неподвижная часть машины переменного тока называется статором (1), а подвижная часть — ротором (2).

Рисунок 6.1 – Схема асинхронной машины

Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, покрытых изоляционным лаком. Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин.

В корпусе машины закрепляется сердечник статора, сердечник ротора крепится на валу. Вращение вала ротора происходит в подшипниках, размещенных в подшипниковых щитах, которые крепятся к корпусу статора, или на отдельно стоящих подшипниковых стояках.

Обмотка статора размещается в пазах, расположенных на внутренней поверхности статора. Чаще всего она выполняется трехфазной и питается трехфазным током от сети, поэтому ее называют первичной обмоткой.

Обмотка ротора размещается в пазах, расположенных на внешней поверхности ротора.

По способу исполнения обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется трехфазной. Концы ее фаз соединяются в звезду, а начала выводятся наружу через контактные кольца и металлографитные щетки. К контактным кольцам может присоединяется регулировочный или пусковой реостат. Число полюсов магнитного поля фазной обмотки ротора такое же как в статоре.

Обмотка ротора двигателя с короткозамкнутым ротором выполняется в виде беличьей клетки (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Обмотка ротора в виде беличьей клетки

 

При этом каждый из в пазов ротора укладывается стержень из меди или алюминия, концы стержней с обоих торцов ротора замыкаются накоротко медными или алюминиевыми кольцами. Большинство выпускаемых асинхронных машин имют короткозамкнутый ротор (особенно машины малой и средней мощности).

В электрическом отношении «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную звездой и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки равно числу пазов ротора, причем в каждую фазу входят один стрежень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны т.к. не имеют щеток и колец. Но при этом их недостатком является сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в электроприводах, где не требуются большие пусковые моменты. В двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток, благодаря чему их можно применять для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя.

Токи обмотки статора двухполюсной машины создают двухполюсный магнитный поток, проходящий через статор (1), ротор (3) и зазор между ними (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Электромагнитная схема асинхронной машины

Обмотка статора (2) создает магнитное поле, вращающееся с частотой (синхронной)

, об/сек; (6.1)

где f₁ – частота тока статора, p – число пар полюсов.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора.

Магнитный поток Ф₁, создаваемый обмоткой статора (рисунок 6.3), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора (4), индуктирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, то в начинают протекать токи i₂ с частотой f₂, равной при неподвижном роторе(п = 0) первичной частоте f₁.

Если ротор имеет трехфазную обмотку, то индуцируемый в ней ток также трехфазный. Под действием этого тока возникает вращающийся поток ротора Ф₂. При n = 0 его число полюсов 2р, направление вращения и скорость

(6.2)

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф.

Магнитный Ф поток взаимодействует с токами ротора, в результате чего возникают механические силы F, действующие на проводники ротора, и вращающий электромагнитный момент М.

Если развиваемый момент больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью , т. е. будет вращаться с некоторым отставанием или скольжением, относительно поля статора. Такой режим называют двигательным.

Относительная разность скоростей вращения поля статора и ротора называется скольжением.

. (6.3)

Скорость ротора равна

. (6.4)

При пуске двигателя (n = 0) согласно (6.3) s = 1, а при вращении ротора синхронно с полем статора, т.е. с синхронной скоростью ( ) s = 0. При магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, т.е. М = 0, следовательно двигатель не может достичь такой скорости вращения. Таким образом, в двигательном режиме всегда и .

При вращении ротора сонаправленно с полем статора поле будет перескать проводники ротора с частотой, пропорциональной разности скоростей , и тогда частота тока в обмотке ротора

. (6.5)

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение со скоростью , тогда ротор будет обгонять поле и направление индуцируемых в обмотке ротора токов изменятся на обратные. Аналогично изменятся направление F и M. Момент будет тормозящим, следовательно, машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. При этом . Такой режим называется генераторным.

Если ротор привести во вращение в направлении против вращения поля статора ( ), то направления e₂, i₂ и F сохраняются как в двигательном режиме, т.е. машина продолжает получать из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но против вращения ротора, т.е. будет его тормозить. Этот режим называется режимом электромагнитного торможения или противовключения. В этом режиме .

Этот режим на практике используется для торможения и остановки асинхронных двигателей и приводимых ими в движение производственных механизмов. Например, в ряде случаев, при необходимости быстрой остановки двигателя, путем переключения двух питающих проводов трехфазного двигателя изменяют чередование фаз и направление вращении поля, а ротор в течение некоторого времени вращается при этом по инерции в прежнем направлении, т.е. теперь уже против поля. Механическая мощность в данном случае развивается за счет кинетической энергии вращающихся масс вследствие уменьшения скорости вращения. При машину необходимо отключить от сети, иначе она придет во вращение в обратном направлении.

Выделяют также режим короткого замыкания асинхронной машины. В этом режиме , т.е. ротор неподвижен. Этот режим соответствует начальному моменту пуска асинхронного двигателя из неподвижного состояния.

Механическая характеристика асинхронного двигателя представляет собой зависимость развиваемого момента на валу М от скорости вращения п при U₁ = const и f₁ = const: . Момент на валу может быть также вычислен по формуле:

, (6.6)

где – мощность на валу.

На рисунке 6.4 а показана механическая характеристика асинхронного двигателя и механическая характеристика некоторого производственного механизма, приводимого во вращение двигателем.

а б

Рисунок 6.4 – Механические характеристики асинхронного двигателя

Уравнение моментов агрегата «двигатель – производственный механизм» имеет вид

, (6.7)

где – динамический момент агрегата, равный

, (6.8)

где J – момент инерции; – угловая скорость вращения.

Если при n = 0 пусковой момент больше момента сопротивления, как это показано на рисунке 6.4 а (M_П > M_СТ), то > 0, > 0 и ротор двигателя придет во вращение. Ускорение ротора происходит до тех пор, пока (заштрихованная область на рисунке 6.4 а)

> 0. (6.9)

В точке 1 достигается равновесие моментов , = 0, = 0. Наступает установившийся режим работы двигателя под нагрузкой со скоростью вращения и скольжением . Величина будет тем больше, чем больше M_СТ, т.е. чем больше нагрузка двигателя. Если при работе двигателя увеличить статический момент производственного механизма (кривая 2 рисунок 6.4), то s возрастет, а n уменьшится. При уменьшении нагрузки (кривая 3 рисунок 6.4), s уменьшится, а n возрастет.

Переход двигателя к новому установившемуся режиму работы при изменении нагрузки физически происходит следующим образом. Если M_СТ возрастет, то будет M < M_СТ, < 0, < 0 и движение ротора двигателя станет замедляться. При этом скольжение возрастает, в соответствии с чем увеличиваются также ЭДС E₂ и ток I₂ вторичной цепи. В результате электромагнитный момент M увеличивается, и уменьшение n (увеличение s) происходит до тех пор, пока снова не наступит равенство моментов . При уменьшении нагрузки процесс протекает в обратном направлении.

Точка 4 на характеристике соответствуют максимальному моменту двигателя и соответствующему скольжению, называемому критическим s_КР. Зная , можно построить приблизительную механическую характеристику по формуле:

, (6.10)

где

= . (6.11)

где – кратность максимального момента, т.е. отношение максимального момента при номинальном напряжении к номинальному.

Условия устойчивой работы.

Под устойчивостью работы электродвигателя понимают способность двигателя восстанавливать установившуюся частоту вращения при кратковременных возмущениях (изменениях нагрузки, напряжения питающей сети и т.д.).

В общем случае, как показано на рисунке 6.4 б, характеристики двигателя могут иметь несколько точек пересечения (точки 1, 2, 3).

Условия устойчивости:

. (6.12)

Следовательно, в точках 1 и 3 работа устойчива, в точке 2 – нет. Режим работы в точке 3 на практике неприемлем, т.к. характеризуется, малой n, плохим КПД, большими токами в обмотках, вследствие чего, двигатель перегревается и выходит из строя. Оптимальным является участок от точки 4 влево.

Статический момент механизма может увеличиваться до точки 4. При дальнейшем увеличении нагрузки двигатель либо остановиться, либо перейдет в точку 3. В обоих случаях он должен быть отключен.

Кроме того, при работе двигателя необходимо иметь некоторый запас по моменту, так как возможны кратковременные перегрузки случайного характера, а также кратковременные или длительные понижения напряжения сети.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости потребляемой мощности P₁, первичного тока I₁, коэффициента мощности cosφ ₁, момента на валу M, скольжения s и КПД от полезной мощности P₂при работе с номинальным напряжением и частотой. Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы двигателя при различных нагрузках (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Пуск асинхронных двигателей.

При пуске в ход асинхронных двигателей необходимо учитывать:

– двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения;

– пусковой ток должен быть ограничен таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети;

– схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств – малыми.

Для пуска двигателя с короткозамкнутым ротором на практике используют следующие способы пуска:

1) Прямой пуск – включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. При этом пусковой ток двигателя .

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются таким образом, чтобы для них был возможен прямой пуск.

Если по условиям падения напряжения прямой пуск недопустим, то применяют следующие виды.

2) Реакторный пуск. При включении в сеть сначала двигатель получает питание через реактор, ограничивающий пусковой ток. При достижении нормальной скорости реактор шунтируется и на двигатель подается нормальное напряжение сети.

3) Автотрансформаторный пуск. Сначала на двигатель через автотрансформатор подается пониженное напряжение. После достижения двигателем определенной скорости посредством выключателя двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора , который в этом случае работает как реактор. Затем двигатель получает полное напряжение. Недостатком является усложнение и удорожание пусковой аппаратуры.

4) Пуск переключением «звезда — треугольник» может применяться в случаях, когда выведены все шесть концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник, например, когда двигатель на 380/220 В и с соединением обмоток Y/Δ работает от сети 220 В. В этом случае при пуске обмотка статора включается в звезду, а при достижении нормальной скорости вращения переключается в треугольник. При таком способе пуска по сравнению с прямым пуском при соединении обмотки в треугольник напряжение фаз обмоток уменьшается в раза.

Недостатком этого способа пуска по сравнению с реакторным и автотрансформаторным является то, что при пусковых переключениях цепь двигателя разрывается, что связано с возникновением коммутационных перенапряжений. В настоящее время используется сравнительно редко.

Последние три способа осуществляют пуск двигателя на пониженном напряжении, что ведет к снижению пускового и максимального моментов двигателя, которые, т.к. они пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому их можно использовать при пуске без нагрузки или незначительной нагрузке.

Пуска двигателя с фазным ротором осуществляют с помощью реостата в цепи ротора. При этом максимальный момент не снижается, а пусковой увеличивается. Подобрав сопротивление реостата можно добиться равенства пускового и максимального моментов. Включение сопротивления также снижает пусковой ток двигателя. Обычно реостат имеет от трех до шести ступеней, позволяя в процессе пуска постепенно уменьшать пусковое сопротивление, поддерживая высокое значение пускового момента. Недостатком такого пуска является его относительная сложность и необходимость применения более дорогих двигателей с фазным ротором. В связи с этим двигатели с фазным ротором применяют только при тяжелых условиях пуска, когда необходимо развивать максимально возможный пусковой момент.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя

.

В связи с этим возможны 3 способа регулирования скорости вращения асинхронных двигателей:

1) Регулирование скорости изменением первичной частоты – частотное регулирование. Такой способ требует применения источников питания с регулируемой частотой, поэтому он используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать или одновременно плавно регулировать скорость вращения. Недостатком способа является громоздкость аппаратуры и высокая стоимость.

2) Регулирование скорости изменением числа пар полюсов. Изменять p можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов p, 2) применением обмотки специального типа, которая позволяет получить различные значения p путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.

3) Регулирование скорости изменением скольжения. Можно реализовать несколькими путями:

а) уменьшением первичного напряжения.

При уменьшении U₁момент двигателя изменяется пропорционально U₁² и соответственно изменяются механические характеристики, в результате чего изменяются также значения рабочих скольжений s₁, s₂, s₃, ... при данном виде зависимости М_СТ= f (s). Очевидно, что регулирование s в этом случае возможно в пределах 0 < s < s_КР. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно s_КРбыли достаточно велики. В связи с пониженным КПД применяется для двигателей малой мощности.

б) импульсное регулирование скорости.

Производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети либо путем периодического шунтирования с помощью контактора или полупроводниковых вентилей сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности.

в) включением реостата в цепь ротора.

В этом случае изменяется форма зависимости М = f (s) и механической характеристики n = f (M). При этом некоторому нагрузочному моменту M_Н соответствуют скольжения s₁, s₂, s₃, …, большие, чем при естественной характеристике (при отсутствии реостата). Этот метод может быть использован только для двигателей с фазным ротором и позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатком является снижение КПД за счет потерь в реостате.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: