Принцип работы асинхронного двигателя.

Наиболее распространенным в промышленности типом двигателя синусоидального тока является трехфазный асинхронный двигатель. В отличие от других электродвигателей он наиболее прост и надежен в работе. Асинхронный двигатель содержит неподвижную часть – статор, в пазах которого помещены три катушки, создающие круговое вращающееся магнитное поле, и подвижную часть – ротор, в пазах которого находятся замкнутые на себя или на внешнее сопротивление катушки (см. рис. 4.19).

статор

ротор

Рис. 4.19

Вращающиеся катушки даны в разрезе, торцевые части катушек не показаны. Вал ротора соединен с валом рабочей машины. Допустим, что вначале ротор неподвижен. При этом вращающееся магнитное поле, созданное обмотками статора, пересекает провода катушек неподвижного ротора со скоростью w и наводит в них эдс. ЭДС вызывает токи в обмотках ротора. По закону Ленца эти токи стремятся своими магнитными полями ослабить вызываемое их магнитное поле .

Взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем приведет к тому, что ротор начнет вращаться в ту же сторону, в какую вращается магнитное поле. В этом можно убедиться, применив правило «левой руки» (см. рис. 3.19).

В установившемся режиме угловая скорость вращения ротора составляет w_рот = (0,98 0,95) w.

Двигатель называется асинхронным, потому что ротор вращается не синхронно с вращающимся полем. Это станет понятно, если учесть, что при w_рот = w вращающееся поле не пересекало бы провода катушек ротора, в них отсутствовал бы ток, и ротор не испытывал бы вращающего момента (то есть при одинаковых угловых скоростях прекратилось бы наведение токов в обмотках ротора, следовательно, не было бы сил, создающих вращающийся момент).

w

xxx

ротор

. . .

обмотки

статора

Рис. 4.20

Вращающееся магнитное поле.

Для получения простейшего трехполюсного вращающегося поля необходимо три одинаковые фазные обмотки расположить на статоре так, чтобы углы между их осями были равны 120. Если фазные обмотки соединить по схеме звезда или треугольник и подключить к трехфазному источнику электрической энергии, то в витках катушек появятся токи:

i_A = I_m sin wt ;

i_B = I_m sin(wt –120) ;

i_A = I_m sin(wt – 240) .

Токи фазных обмоток создают магнитные поля. Результирующее магнитное поле вращается в плоскости осей катушек по часовой стрелки с угловой скоростью w. Оно совпадает по направлению с осью той из фаз обмоток, ток в которой достигает максимального значения.

Рассмотрим 3 момента времени: 1, 2, 3 (см. рис. 4.21).

i

i_A i_B i_C

1 2 3

wt

Рис. 4.21

Направления токов в обмотках статора в соответствии с укладкой будут выглядеть так, как представлено на рис. 4.22:

Рис. 4.22

Полярность в обмотках показана на рис. 4.2:

Для моментов времени соответственно

полярность представлена на рис. 4.23 а), б), в).

–

– –

+ +

+

(а)

+

+ –

+ –

–

(б)

+

– +

– +

–

(в)

Рис. 4.23

Чтобы изменить направление вращения магнитного поля достаточно изменить порядок подключения двух любых фазных обмоток асинхронной машины к трехфазному источнику электрической энергии.

РЕЖИМ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ.

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется режимом электромагнитного взаимодействия токов в обмотке статора с токами ротора. Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемая в его обмотке эдс, а значит и токи. Если частота вращения поля – f₁, а частота вращения ротора – f, то режим работы асинхронного двигателя можно характеризовать скольжением.

f

режим

двигателя режим

режим эл.–магн.

генерато- тормоза

ра

1 S

Рис. 4.24

В зависимости от значения скольжения трехфазная асинхронная машина может работать в режиме двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0<S<1) трехфазная асинхронная машина является преобразователем электрической энергии в механическую. Ротор должен вращаться медленнее поля с такой частотой вращения, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемом токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (S<0) трехфазная асинхронная машина является преобразователем механической энергии в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой вращения большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (S>1) трехфазная асинхронная машина вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. В режиме электромагнитного тормоза в трехфазной асинхронной машине рассеивается значительная энергия на гистерезис и вихревые токи.

Для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающего и тормозного моментов; с увеличением нагрузки на валу двигателя должен соответственно возрасти и вращающий момент. Это уравновешивание у работающего асинхронного двигателя осуществляется следующим образом: при увеличении нагрузки на валу тормозной момент оказывается больше вращающего момента, следовательно, частота ротора уменьшается, скольжение растет, что в свою очередь, влечет за собой увеличение вращающего момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении S.

Зависимость вращающего момента от S сложна. Не вдаваясь в подробности, изобразим график этой зависимости (см. рис. 4.25):

M неустойчивый

режим

(1)

M_пом M_max

(2) M_пуск

S

S_кр 1

Рис.4.25

На рис. 4.25 участок (1) является режимом перегрузки, а участок (2) - рабочим режимом.

Максимальный момент определяет перегрузочную способность асинхронного двигателя.

У работающего двигателя динамическое равновесие моментов автоматически восстанавливается при увеличении скольжения, пока тормозной момент на валу меньше максимального вращающего момента двигателя. У нормальных асинхронных двигателей максимальный момент больше номинального в 2 – 2,5 раз. При перегрузке свыше максимального момента двигатель входит в область неустойчивого режима (если тормозной момент на валу постоянен) и останавливается. Это обстоятельство вынуждает выбирать мощность двигателя так, чтобы даже при кратковременной перегрузке не был превышен максимальный момент, в противном случае привод должен быть снабжен соответствующим маховиком.

Зависимость M(S) часто представляется в виде f(M). Эта зависимость называется механической характеристикой. По своей форме она отличается от M(S) только положением по отношению к координатным осям.

f

M_max

M_пуск

M

Рис. 4.26