Тема 1.1. Двигатели переменного тока

По принципу действия и техническим характеристикам различают асинхронные (АД) и синхронные (СД) двигатели [1]. Их работа невозможна без создания вращающегося магнитного поля.

Условиями создания вращающегося магнитного поля являются – сдвиг в пространстве фаз обмотки машины переменного тока и сдвиг токов в этих фазах во времени.

Рассмотрим принцип создания вращающегося магнитного поля на примере трехфазной двухполюсной электрической машины переменного тока. Оси фаз А, В, С обмотки, расположенной в пазах цилиндрического сердечника, сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов. Токи фаз изменяются по синусоидальному закону:

,

, (1.1)

.

На рис.1.1 представлен поперечный разрез якоря и индуктора синхронной машины с трехфазной обмоткой якоря, в проводниках которой указаны направления токов и ЭДС. Вращающийся явнополюсный ротор этой машины имеет индуктор с обмоткой, питаемой постоянным током, создающей магнитное поле по оси d – продольной оси.

Если изобразить векторами в пространстве мгновенные значения индукций каждой фазы и результирующую индукцию для моментов ωt=0, π/2, π, 3π/2, то с течением времени вектор результирующей магнитной индукции перемещается с угловой скоростью ω по направлению от оси фазы А к оси фазы В, т.е. в сторону чередования фаз. Таким образом происходит вращение магнитного поля в магнитопроводе электрической машины в направлении чередования фаз обмотки якоря. Для того, чтобы изменить направление вращения поля, достаточно поменять местами два провода, соединяющие фазы с источником.

Рис. 1.1. Поперечное сечение активной части синхронной машины

Магнитное поле вращается со скоростью

, (1.2)

где f₁ – частота тока статора,

р – число пар полюсов.

При стандартной частоте тока сети 50 Гц получим:

р = 1, n₁ = 3000 об/мин,

р = 2, n₁ = 1500 об/мин,

р = 3, n₁ = 1000 об/мин,

р = 4, n₁ = 750 об/мин и т.д.

Асинхронные машины. Асинхронной (АМ) называется электрическая машина, у которой в рабочем установившемся режиме магнитное поле и ротор вращаются с разными скоростями. АМ используются, главным образом, в качестве двигателей.

Устройство асинхронной машины. Неподвижная часть АМ называется статором, подвижная – ротором.

Сердечники статора и ротора собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон изоляционным лаком. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора – на валу.

Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора.

Обмотка статора асинхронной машины выполняется обычно трехфазной и присоединяется к трехфазной сети. Если обмотка ротора выполнена трехфазной, как на статоре, - концы фаз обмотки соединены в звезду, а начала фаз с помощью контактных колец и металлографитных или углеграфитных щеток выведены на неподвижную часть машины. Такую машину называют асинхронной машиной с фазным ротором.

Если в каждом пазу сердечника ротора находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми кольцами, которые замыкают стержни накоротко, то такую АМ называют машиной с короткозамкнутым ротором.

Воздушный зазор между статором и ротором в АМ выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машина. АМ, как правило, охлаждаются воздухом.

Принцип работы АМ основан на действии вращающегося магнитного поля (магнитного потока). Оно создается токами в фазах неподвижной обмотки статора (см. начало раздела). Круговое вращающееся магнитное поле представляет собой магнитное поле, вектор результирующей магнитной индукции которого имеет постоянную величину и вращается с некоторой угловой скоростью.

Магнитный поток, создаваемый токами в обмотке статора, при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Эти ЭДС вызывают токи в проводниках обмотки ротора. Эти токи стремятся своим магнитным полем ослабить вызвавшее их магнитное поле. В результате взаимодействия токов ротора с вращающимся магнитным потоком возникают силы F, действующие на проводники ротора с током, - силы Лоренца. Возникает вращающий электромагнитный момент М, действующий на ротор АМ и приводящий ротор во вращение, если электромагнитный момент М превышает тормозной момент на валу АМ.

Вращающий момент создается только активной составляющей фазного тока ротора:

, (1.3)

где I₂ – действующее значение фазного тока ротора,

ψ₂ – угол сдвига фаз между ЭДС и током фазы ротора.

Режимы работы АМ. В зависимости от частоты вращения и направления вращения ротора по отношению к полю различают 4 основных режима:

1. режим двигателя,

2. режим генератора,

3. режим идеального холостого хода,

4. режим противовключения (режим электромагнитного тормоза).

Используют также термин «номинальный режим работы» – это предельный режим, при котором двигатель не перегревается, иначе наступает увеличение температуры изоляции обмоток двигателя превышают допустимые, что приводит к ускорению старения изоляции и снижению срока службы двигателя.

Наиболее простыми в отношении устройства и управления, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшие массу, габариты при заданной мощности являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их масса на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у машин постоянного тока [4].

Такие АД применяют для нерегулируемого электропривода или при ступенчатом регулировании частоты вращения. Для двигателей, которые работают с невысокой частотой включений, когда не требуется регулирование скорости в широких пределах, - применяют прямой пуск (см. тему 1.2.1).

 В установках, где используется регулирование частоты вращения в диапазоне 1:2, 1:3, а также необходимы: плавный пуск с пониженными пусковыми токами, регулируемые тормозные режимы, ограничение токов в переходных процессах, относительно низкая стоимость, - находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором.

 Для механизмов, к которым предъявляются требования в отношении регулирования частоты вращения, качества переходных процессов, а также при напряженных режимах с частыми пусками и остановами, применяются электроприводы по системе «вентильный преобразователь – коллекторный двигатель постоянного тока», а в последнее время - по системе «вентильный преобразователь частоты - асинхронный двигатель».

Для механизмов средней и большой мощности (от 120кВт), где не применяется регулирование частоты вращения или необходимо ее постоянство, перспективным является использование синхронных двигателей. Они имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, значительную перегрузочную способность, высокие энергетические показатели, и, что особенно важно, позволяют компенсировать реактивные мощности потребителей, работающих с отстающим коэффициентом мощности.

 Синхронные двигатели относятся к синхронным машинам.

Синхронные машины.

У таких машин частота вращения ротора в нормальном установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля.

Рассмотрим устройство, условные обозначения и работу синхронных машин.

Неподвижный сердечник с обмоткой называют якорем (внешняя окружность на Рис. 1.2), он подобен статору асинхронных машин. На валу находится индуктор (внутренняя окружность на Рис. 1.2) с обмоткой постоянного тока.

Рис. 1.2. Условные обозначения

синхронных машин

Как видно на Рис. 1.2, различают синхронные машины с неявнополюсным и явнополюсным ротором (индуктор последнего обозначается пунктиром). M – двигатель, G – генератор.

Работа синхронного генератора.

Когда ротор начинает вращаться с частотой вращения близкой к частоте вращения магнитного поля, - включают генератор на параллельную работу с сетью. Для этого подают постоянное напряжение на обмотку индуктора и выполняют условие синхронизации: разность напряжений между выводами генератора и выводами сети должна быть минимальной (несколько вольт). Если не соблюсти это условие, при включении возникают броски тока, от которых срабатывает защитная аппаратура. После включения генератора на параллельную работу с сетью, увеличивают мощность теплового двигателя или гидротурбины на валу генератора. Синхронный генератор преобразует механическую мощность, поступающую с на вала, в электрическую, которая поступает в сеть.

Работа синхронного двигателя.

Без дополнительных устройств синхронный двигатель не создаёт пускового момента (не запускается). Чаще всего применяют асинхронный пуск, для которого на роторе двигателя располагают дополнительную короткозамкнутую пусковую обмотку, токи в которой создают пусковой момент, разгоняющий двигатель до подсинхронной скорости (несколько меньшей скорости вращения магнитного поля).

После разгона включают напряжение постоянного тока на обмотку индуктора. Создаётся магнитное поле индуктора, которое сцепляется с магнитным полем якоря (созданного токами трёхфазной обмотки якоря), двигатель «втягивается» в синхронизм, т.е. начинает вращаться с частотой вращения магнитного поля.

При увеличении тормозного момента скорость двигателя (ротора) не изменится, изменится угловое положение ротора относительно поля. Угол между осью вращающегося магнитного поля якоря и продольной осью индуктора d называют углом нагрузки (см. Рис.1.1). Его обозначают – θ.