Машины переменного тока
Как и машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели. По принципу действия делятся на синхронные и асинхронные. В основе принципа действия всех машин переменного тока положено вращающее магнитное поле. В синхронных двигателях скорости вращения поля и ротора равны. Синхронные генераторы самые большие и мощные электрические машины. С их помощью получается вся промышленная электроэнергия. В системах автоматики, как источники энергии, используются редко. Синхронные двигатели применяют в приводах с небольшим диапазоном регулированием скорости. Управление возможно только частотное. Частотные преобразователи – дорогостоящие и сложные устройства. Маломощные синхронные двигатели применяются в приводах винчестеров.
В автоматике наибольшее распространение получили асинхронные двигатели. У таких машин скорости вращения поля и ротора различны.
Асинхронные машины
Конструкция.
Статор, как правило неявнополюсный. Имеется двух- или трехфазная обмотка, при соответствующем двух- или трехфазном напряжении питания. Статор создает вращающееся магнитное поле.
Рис
Конструкции роторов асинхронных машин принципиально отличается в зависимости от целевого назначения машины. Существует три разновидности:
Беличья клетка
Обмотка представляет собой алюминиевые или медные стержни, закороченные с двух сторон проводящими кольцами из этого же материала. Обмотка также с неявновыраженными полюсами, а ротор – барабан из стальных изолированных пластин. Для равномерности работы машины, пазы бывают скошены.
Рис
Такие роторы имеют большинство асинхронных машин в промышленном применении. Обладает высоким КПД, самой высокой эксплуатационной надежностью среди всех электрических машин. Недостатком является худшая управляемость.
Полый немагнитный ротор
Статор принципиально не отличается от предыдущего. Ротор выполняется в виде тонкостенного алюминиевого стакана. Одновременно он является обмоткой. Магнитопровод ротора неподвижный – это стальной стержень из изолированных пластин, расположенных внутри него. Такую конструкцию имеют почти все управляемые асинхронные двигатели. Обмотка является двухфазной, сдвиг на π/2.
Фазный ротор
Ротор выполняется трехфазным с явновыраженными полюсами.
Рис
Обмотки обычные из изолированного провода. Концы обмоток на внешние зажимы выводятся через подвижные контакты (щетки и контактные кольца). Замыкаются секции обмотки через внешний реостат. Таким образом, для всех конструкций обмотки являются замкнутыми на собственные цепи. Беличью клетку и полый ротор называют короткозамкнутыми.
Работа асинхромного двигателя.
Статор создает вращающее магнитное поле. Внутри статора располагается ротор, представляющий собой проводящее тело. Тело ротора является его обмоткой, наличие магнитопровода необязательно. При вращении поля статора , линии индукции пересекают тело ротора. В нем возникают коротко замкнутые контура с током. Ток создает магнитное поле ротора и возникает взаимодейсьвие между полями ротора и статора. Ротор начинает вращаться вслед за полем статора. Если скорости вращения поля статора и самого ротора станут равны, то ротор будет неподвижен относительно поля статора. В этом случае токи ротора отсутствуют, отсутствует его магнитное поле, не будет и взаимодействие, т.е. ротор синхронно вращающийся полем статора не может создавать вращающий момент. Под нагрузкой ротор вращается всегда медленнее, поэтому данную машину и называют асинхронной.
Рассмотрим ротор в виде тонкостенного цилиндра :
Рис
-
скорость вращающегося поля, она равна
угловой частоте питающейся цепи.
-
скорость ротора.
-скорость
скольжения.
Для удобства представим, что ротор неподвижен, тогда магнитное поле будет вращаться со скоростью скольжения.
Рис
В контурах ротора, в соответствии с законом Фарадея, будет наводиться переменная ЭДС, её частота будет равна частоте скольжения , которая является функцией скорости ротора:
;
Где
,при
данной частоте питающей цепи.
Аналогично можно
выразить
:
;
Где
-ЭДС
наводимое в заторможенном роторе, когда
и
.
При действии ЭДС скольжения возникает ток той же частоты. Он будет равен:
;
Где
-
модуль полного сопротивления.
;
Где
-
активное сопротивление;
-
индуктивное сопротивление ротора на
частоте скольжения.
;
-
индуктивное сопротивление.
Здесь
и
это
некоторые обобщающие величины, которые
зависят от конкретных свойств ротора:
его геометрии, удельной проводимости,
его тела; в общем случае это сложные
интегральные выражения, полученные на
основе приближенных решений. Из-за
индуктивных свойств ротора ток будет
отставать по фазе на угол
.
Это приведет и к пространственному
сдвигу поля ротора на угол
от нормали.
;
Где
-
вращающий момент.
;
;
(*);
Момент будет
нелинейной функцией от
.
В отличие от двигателей постоянного
тока с независимым возбуждением все
другие характеристики данной машины
нелинейные.
Исследуем полученное
решение когда
,
ротор вращается синхронно с полем
статора. При очень большом скольжении,
когда ротор вращается намного быстрее
угловой скорости , вращающий момент
уменьшается неограниченно. При некотором
скольжении имеется максимум вращающего
момента:
;
;
;
;
, при данном
скольжении вращающий момент будет mах.
Найдем значение mах, подставив в (*) полученное решение.
;
;
Независимо от сложности исходной модели, механическая характеристика асинхронного двигателя определяется как:
;
Рис
Скольжение при максимальном моменте, называется критическим.
При дальнейшем увеличении скольжения, момент уменьшается. Этот участок является устойчивым, машина остановится и скольжение станет равным единице, поэтому максимальный момент называют опрокидывающим моментом.
Данная характеристика, полученная на основе упрощенного анализа, в действительности имеет более сложный вид, в частности она несимметрична. Максимумы при положительном и отрицательном воздействиях различны. Отрицательное скольжение означает, что ротор вращается быстрее скости вращения поля (это генераторный режим). Условия работы машины отличаются для двигательного и генераторного режимов, имеет место явление выталкивания плоскости тока.
Рис
Максимум момента
смешивается в область больших скольжений
при увеличении активного сопротивления
ротора. При
имеем двигательный режим, при
- ротор неподвижен, имеем в этой точке
пусковой момент, который способна
развивать машина, когда
мало (кривая 1). В автоматике бывает более
удобным пользоваться, как и для двигателя
постоянного тока, механической
характеристикой, как функцией скорости
от момента.
Рис
Ярко выраженную нелинейность имеет ротор типа беличья клетка – кривая 1. Машина может устойчиво работать (нормальный режим) в пределах заштрихованной области. Номинальный момент машина может не взять с места большую нагрузку, поэтому в особых случаях и применяют двигатели с фазным ротором, содержащим внешние реостаты, с помощью которых регулируется активное сопротивление, а значит и пусковой момент, поэтому происходит последовательный переход, например, 3-2-1. Характеристики 1,2 неоднозначны, машина с такими свойствами обычными методами трудноуправляема, поэтому в приводах систем автоматики применяется характеристика 3, у которой максимальный момент смещен в область отрицательных скоростей, тогда в двигательном режиме характеристика однозначна при изменении скорости от 0 до синхронной . В частности такую характеристику имеет двигатель с полным немагнитным ротором.