Рис.2.101. Изменение направления вращения ротора асинхронного двигателя при изменении направления вращения магнитного поля статора (а); схемы присоединения обмотки статора к сети для получения вращения ротора по часовой стрелке (б) и против нее (в).

Реверсирование трехфазного двигателя

Для нормального функционирования значительного количества механизмов, машин и устройств, использующихся на производстве, необходимо изменение направления вращения (реверсирование) приводных электродвигателей. В таких режимах работают, например, двигатели механизмов передвижения и поворота, а также грузовых лебедок башенных кранов, строительных подъемников и лифтов, задвижек на трубопроводах и др. Определим, что произойдет, если изменить направление вращения магнитного поля статора трехфазного асинхронного двигателя (рис. 2.99, а) на противоположное, изображенному на рис. 2.101, а. Рассуждая аналогичным образом, получим, что ротор двигателя также изменит направление вращения на противоположное и будет следовать за магнитным полем статора. То есть для реверсирования асинхронного двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Этого можно достичь, поменяв местами любые две фазы сети двигателя (например, С и В на рис. 2.101, б, в).

Многополюсное вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя

Рис. 2.102. Схема фазы А при числе пар полюсов р = 1 (а) и р = 2 (б).

Рис.2.103. Схема соединения катушек фаз (а) и упрощенная картина четырехполюсного магнитного поля (б) трехфазного двигателя (р = 2).

Частота вращения n1 (синхронная частота вращения) магнитного поля статора трехфазного асинхронного двигателя может быть определена из соотношения

n₁=60ƒ₁/p

где ƒ₁ частота питающей сети (50 Гц, в США и Японии - 60 Гц)-р — число пар полюсов. По исторически сложившейся традиции частоту вращения принято выражать в об/мин. Рассмотрим понятие «число пар полюсов». Одну пару полюсов (р = 1) имеет, например, фаза А, если она состоит из одной катушки (рис. 2.102, а), при этом

n₁ = 60·50/p = 3000/1 = 3000 об/мин.

Получить в фазах двигателя две пары полюсов (р = 2) достаточно просто. Для этого каждая фаза должна состоять не из одной, а из двух катушек (рис. 2.102, б). Их условные размеры (по сравнению с катушками двухполюсной обмотки) уменьшают в два раза, т. е. стороны витков укладывают в пазы под углом не 180°, а 180/2 = 90° (рис. 2.103, б), и оси катушек располагают под углом, также в два раза меньшим (120/2 = 60°). Частота вращения магнитного поля, имеющего две пары полюсов (р = 2),

n₁ = 3000/2 = 1500 об/мин.

так как за один период изменения токов полюсы повернутся на пространственный угол, равный 180°. Если в каждой фазе магнитной системы статора двигателя будет по 3 катушки {р = 3), то

n₁ = 3000/3 = 1000 об/мин.

если 4 катушки (р = 4), то

n₁ = 3000/4 = 750 об/мин.

При пяти катушках (р = 5) - n₁ = 600 об/мин, а при шести (p = 6) - n₁ = 500 об/мин Значение n₁ для различных величин р называют рядом синхронных частот вращения. Отечественная промышленность выпускает двигатели с синхронной частотой вращения n₁ от 3000 до 500 об/мин. Асинхронные двигатели на частоту вращения менее 500 об/мин могут быть изготовлены по специальному заказу.

Часть 6. Электромашинные устройства переменного тока

В этой главе приводятся краткие сведения о устройстве, принципе действия асинхронных двигателей. Приводятся основные характеристики этих двигателей. Рассматриваются процессы при пуске, реверсе. Приводятся краткие сведения об специальных асинхронных и исполнительных  двигателях.. 

1. Устройство и принцип действия асинхронных трехфазных двигателей. Вращающееся магнитное поле машины переменного тока

Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой угловая скорость ротора не равна угловой скорости магнитного поля статора. Угловая скорость ротора зависит от нагрузки, в режиме двигателя нагрузкой является механический момент сопротивления на валу машины, в режиме генератора – электрическая мощность, отдаваемая приемнику энергии.    У асинхронных машин большой, средней и малой мощности на статоре практически всегда расположена трехфазная обмотка, т.е. обмотка, состоящая из трех отдельных электрических цепей, сдвинутых в пространстве на 120° . Ротор у трехфазных машин либо короткозамкнутый типа "беличьей клетки", либо с контактными кольцами. Асинхронные микромашины для автоматических систем выпускаются в основном с двухфазной обмоткой статора со сдвигом обмоток фаз на 90°; ротор таких двигателей типа "беличьей клетки" или полый немагнитный, или ферромагнитный. Принцип работы асинхронных машин связан с понятием вращающегося магнитного поля.

Обмотка, создающая вращающееся поле, представляет собой m-фазную систему, т.е. состоит из m обмоток, которые сдвинуты друг относительно друга в пространстве и по которым протекают токи, сдвинутые во времени. Каждая из обмоток фаз создает пульсирующий поток (неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени), сдвинутый относительно других в пространстве и во времени. Если все обмотки фаз имеют одинаковое число витков и сдвинуты в пространстве на электрический угол γ₂ = 2π /m (электрический угол – это пространственный угол, умноженный на число пар полюсов р_м ), токи имеют одинаковую амплитуду I_m и частоту f и сдвинуты во времени на угол β= 2π /m, то результирующее магнитное поле будет круговым. Это означает, что поток представляет собой вектор постоянной длины, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью. Конец этого вектора описывает окружность, его значение Ф= (m /2)Ф_м, где Ф_м - амплитудное значение потока обмотки фазы. Условия

γ₂=2π /m ;     β = 2π /m ;      I_m1 = I_m2 =... = I_mm        (6.1)

называют условиями кругового поля в m - фазной машине. В электрических машинах переменного тока для создания вращающегося поля используются в основном трехфазные (рис. 6.1.,а) и двухфазные (рис.6.1.,б) обмотки.

Рис. 6.1

При этом в качестве двухфазной обмотки используется половина четырехфазной, поэтому условия кругового поля в двухфазной обмотке совпадают с четырехфазной, но значение вектора результирующего поля вдвое меньше. Процесс образования кругового вращающегося поля в трехфазной машине, для которой условия (2.1) принимают вид

γ_э = 120°;       β = 120°;                I_m1 = I_m2 = I_m3    (6.2)

можно пояснить графически на примере машины с одной парой полюсов (рис.6.2).

Рис.6.2

Мгновенные значения потока Ф обмоток фаз изменяются по закону изменения токов (рис. 6.2,а). Каждый из потоков можно представить вектором, направление которого совпадает с осью обмотки фазы. Берем мгновенные значения потоков в различные моменты времени, откладываем по соответствующим пространственным осям (рис.6.2,б) и в каждый момент времени строим результирующий поток Ф. Нетрудно убедиться, что в любой момент времени поток Ф = (³/₂ ) Ф_м и за один период изменения тока он поворачивается на один оборот. В многополюсной машине (р_м> 1 ), частота ЭДС, наводимой в обмотке вращающимся магнитным полем, пропорциональна не только угловой скорости поля, но и числу пар полюсов. Одному обороту соответствует рм период изменения ЭДС. Чтобы привести в соответствие пространственный и временной углы, вводят понятие электрического угла, равного пространственному, умноженному на число пар полюсов: γ_э = γр_м. Таким образом, вся окружность машины соответствует электрическому углу 360°р_м.

Следовательно, в многополюсной машине за один период тока поле повернется на угол, соответствующий одной паре полюсов, а полный геометрический оборот поле завершит за р_м периодов тока. Угловая скорость магнитного поля, называемая синхронной скоростью машины переменного тока, будет равна (рад/с)

ω₁= 2πf /р_м   (6.3)

т.е. угловая скорость магнитного поля прямо пропорциональна частоте тока и обратно пропорциональна числу пар полюсов обмотки. Синхронная частота вращения (об/мин)

n₁ = 60f /р_м

Если изменить порядок чередования любых двух обмоток фаз, то вектор магнитного поля будет вращаться в противоположную сторону. Следует отметить, что когда говорят о круговом вращающемся магнитном поле машины, то имеют в виду пространственную волну индукции, создаваемую в воздушном зазоре и вращающуюся в угловой скоростью ω1. Для двухфазной машины условия кругового поля (6.1) принимают вид:

γ _э =90° ;          β = 90° ;                       I_м1 = I_м2    (6.4)

и вращающийся вектор поля Ф = Ф_м.

Электрическую машину и режим ее работы, подчиняющиеся условиям (6.1), называют симметричными. При отклонении углов γ_э и β или соотношения амплитуд токов от условий (6.1) магнитное поле становится эллиптическим и режимы называют несимметричными.