Электротехника 26 26

Глава 6. Асинхронные машины

Глава 6. Асинхронные машины

6.1 Назначение и устройство

Асинхронные машины используются в основном как двигатели. Потребляют около электроэнергии. Недостатками: потребление из сети реактивного тока – , ограниченные возможности регулирования частоты вращения. Достоинства: надежны, просты в эксплуатации, высокий .

Асинхронные двигатели (АД) выпускаются для работы от однофазных, двухфазных и трехфазных сетей переменного тока. Используются в системах электропривода различного технологического оборудования, а так же как тяговые двигатели электротранспорта.

Максимальная мощность 8000 кВт.

Основными частями асинхронной машины являются статор — неподвижная часть и ротор — вращающаяся часть.

Сердечник статора является неподвижной частью магнитопровода и представляет собой полый цилиндр (рис. 6.1), набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга. Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляют в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающем его со всех сторон. К боковым сторонам корпуса крепят подшипниковые щиты. Внутренняя цилиндрическая поверхность сердечника имеет равномерную зубцово-пазовую структуру.

В пазы укладывают трехфазную обмотку переменного тока.

тока.

Рис. 6.1 Детали сердечника статора асинхронной машины

а — магнитопровод в собранном виде; б — отдельный лист.

Оси фаз смещены в пространстве друг относительно друга в общем случае на угол пространственных радиан, где количество пар полюсов результирующего магнитного поля. В расчетах для согласования временного периода электрических величин и пространственного периода магнитного поля вводится пространственно-временная геометрическая координата по углу окружности машины , пространственная координата.

Начала и концы фазных обмоток выводят наружу и обозначают. Соединение фаз обмотки может быть звездой или треугольником.

Рис. 6.2 Расположение выводов обмоток статора на щитке машины

а — соединение звездой; б —соединение треугольником.

Ротор асинхронного двигателя также набирают из стальных штампованных листов (рис. 6.2). Насаженные на вал, они образуют ротор, имеющий форму цилиндра.

Рис. 6.2 Форма стальных листов, из которых набирают сердечник ротора

1 — пазы; 2 — отверстия для вентиляции; 3 — отверстие для вала и шпонки.

Рис. 6.3 Форма пазов ротора с короткозамкнутой обмоткой

а — круглая; б — овальная; в — колбовидная; г — глубокая; д — для двойной клетки.

По наружному периметру листа штампуют отверстия, образующие пазы ротора, в которые закладывают обмотку. Форма пазов может быть различной (рис. 6.3). Двигатели большой мощности имеют ротор с вентиляционными отверстиями для охлаждения.

По конструктивному исполнению обмотки ротора могут быть короткозамкнутые и трехфазные.

Рис. 6.4 Короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка»)

1 — стержни; 2 — короткозамыкающие кольца.

Число фаз короткозамкнутой обмотки равно числу пазов, в которых она размещена.

У машин малой мощности (до 100 кВт) пазы ротора заливают расплавленным алюминием. Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников аналогично обмотке статора. Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединяют с контактными кольцами, расположенными на валу и изолированными как от вала, так и друг от друга.

Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные щетки, к которым подсоединены реостаты, соединенные звездой (рис. 6.5).

Рис. 6.4 Короткозамкнутая обмотка ротора, выполненная в виде алюминиевой отливки

1 — листы магнитопровода; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки; 4 — стержни.

Рис. 6.5 Асинхронный двигатель с фазным ротором

а, б — устройство; в — электрическая схема. 1 — обмотки статора; 2 — корпус; 3 — сердечник статора; 4 — коробка с выводами; 5 — сердечник ротора; 6 — обмотка ротора; 7 — контактные кольца; 8 — пусковой (регулировочный) реостат.

6.2 Получение вращающегося магнитного поля

На рис. 6.6 показана магнитная цепь трехфазной асинхронной машины, на статоре которой расположены три одинаковые фазы трехфазной обмотки, соединенные звездой.

С целью упрощения рисунка каждая фазная обмотка изображена в виде одной катушки с диаметральным шагом. На рисунке указаны направления магнитных осей фаз.

Рис. 6.6 Схема магнитной цепи асинхронной машины

1 — ротор; 2 — статор.

Рис. 6.7 Временные диаграммы токов в фазных обмотках статора

Если обмотки статора подключить к трехфазному симметричному источнику напряжения (к сети), то в них возникнет трехфазная симметричная система токов.

Мгновенные значения фазных токов трехфазной обмотки

– амплитудное значение тока;

– круговая частота тока, ;

- частота сети, ;

- время, ;

На рис. 6.7 показаны временные диаграммы этих токов, а на рис. 6.6 — их

условные положительные направления.

Переменный ток в каждой фазе обмотки создает пульсирующее магнитное поле. Оси пульсаций магнитного потока каждой фазы сдвинуты на пространственно-временной угол и потоки пульсируют с временным фазовым сдвигом временных радиан.

Максимального значения магнитная индукция достигает на оси фазной обмотки. Магнитная индукция фазы A на ее оси в любой момент времени может быть описана уравнением

, где - максимальное значение магнитной индукции, соответствующее току , при этом магнитная индукция изменяется от при до при .

Распределенный характер реальной фазной обмотки обеспечивает синусоидальное распределение плотности пульсирующих потоков (индукции) в воздушном зазоре.

Характер изменения магнитной индукции в пространстве и во времени может быть описан уравнением стоячей волны

, где  — пространственная координата, отсчитываемая от оси фазной обмотки. Такое магнитное поле, неподвижное в пространстве и изменяющееся во времени, называют пульсирующим.

Сумма трех пульсирующих магнитных полей статора образует результирующую вращающуюся по окружности воздушного зазора волну магнитной индукции.

1. Вращающаяся волна индукции трехфазной обмотки как сумма трех пульсирующих магнитных полей фаз. Токи фаз сдвинуты во времени на радиан. Магнитные оси фаз сдвинуты в пространстве на радиан.

пульсирующая волна фазы А

пульсирующая волна фазы B

пульсирующая волна фазы C

Вращающаяся волна индукции трехфазной обмотки

Если представить, что токи , и в обмотках совпадают по фазе, то результирующее магнитное поле в воздушном зазоре будет равно нулю. Это можно объяснить тем, что в таком случае векторы магнитной индукции поля в любой точке пространства будут равны по значению и сдвинуты друг относительно друга на угол , т. е. образуют симметричную трехфазную систему.

Направление оси результирующего магнитного поля всегда совпадает с осью той

фазы, ток в которой в данный момент времени имеет максимальное значение.

Магнитная индукция результирующего магнитного поля, как и поля фаз, на полюсном делении распределена по синусоидальному закону.

Рис. 6.8 Картина магнитного поля в асинхронной машине с одной парой полюсов

Рис. 6.9 Распределение магнитной индукции вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины

Рис. 6.10 Асинхронная машина с числом пар полюсов p = 2

а — магнитная цепь; б — схема соединения проводников в фазных обмотках статора.

В общем случае, когда машина имеет  пар полюсов, магнитное поле совершит  оборота за один период  . За одну секунду магнитное поле совершит  оборотов. В электрических машинах принято определять частоту вращения числом оборотов в минуту, тогда частота вращения магнитного поля

Частоту вращения магнитного поля называют синхронной, так как она определяется частотой напряжения сети.

При частоте напряжения в сети f₁ = 50 Гц существует шкала синхронных частот вращения магнитного поля, определяемых как

Ниже приведены значения синхронных частот вращения   (об/мин) в зависимости от числа пар полюсов

p	1	2	3	4	5	6
n1	3000	1500	1000	750	600	500

6.3 Принцип действия асинхронного двигателя

Если трехфазную обмотку статора подключить к симметричной системе трехфазного гармонического напряжения то, протекающие по обмотке токи, создадут в воздушном зазоре вращающуюся в направлении чередования фаз первую гармонику магнитного поля полюсного порядка

Частоту вращения этого поля

[об/с]

назовем синхронной частотой вращения.

Магнитный поток первой гармоники поля в воздушном зазоре на полюс

- полюсное деление, - внутренний диаметр статора.

При вращении поля в фазе обмотки статора будет наводиться ЭДС самоиндукции

, уравновешивающая приложенное напряжение .

- число последовательных витков в фазе обмотки;

- обмоточный коэффициент.

При синхронном вращении ротора с частотой (режим идеального холостого хода) ЭДС в роторе наводиться не будет, не будет и тока. Синхронный режим вращения аналогичен режиму холостого хода трансформатора.

При заторможенном роторе (режим короткого замыкания), соответствующем начальному моменту пуска двигателя, в роторе будет индуцироваться ЭДС частотой .

- коэффициент трансформации по ЭДС.

Образование электромагнитного момента асинхронного двигателя.

Мгновенные направления ЭДС в проводниках ротора показаны на рис. 6.11.

Рис. 6.1 Образование электромагнитного момента асинхронного двигателя

Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток . Активная составляющая тока ротора будет по направлению совпадать с ЭДС . Этой составляющей тока будет создаваться однонаправленное силовое воздействие на ротор и вращающий электромагнитный момент сил .

Реактивная составляющая тока ротора при взаимодействии с потоком статора создаст силы, взаимно компенсирующие друг друга, и участвовать в создании электромагнитного момента не будет.

Для сохранения постоянства потока в зазоре машины при неизменном приложенном напряжении статора в обмотке статора появятся токи, компенсирующие действие поля ротора.

Под действием момента , преодолевая противодействие тормозного момента холостого хода , ротор придет во вращение с частотой . Значение частоты вращения определится в установившемся режиме равенством противодействующих моментов . Направление вращения ротора будет совпадать с направлением вращения поля. Диапазон возможного вращения ротора в двигательном режиме . Асинхронное вращение ротора относительно поля взаимоиндукции (воздушного зазора) определяет название данного типа электрических машин.

Относительная разность скоростей вращения магнитного поля и ротора

называется скольжением.

При холостом ходе ;

при номинальной нагрузке .

Частота тока в обмотке ротора

.

Частота вращения ротора , выраженная через скольжение

.

Тогда

Частота вращения поля ротора относительно самого ротора

Частота вращения поля ротора относительно статора

то есть частота вращения поля ротора относительно статора равна частоте вращения поля статора . Поэтому поля статора и ротора при вращающемся роторе также вращаются всегда синхронно с синхронной частотой вращения и образуют общее вращающееся поле асинхронной машины. Ротор относительно поля вращается со скольжением . В нем потоком будет наводиться ЭДС .

При увеличении механического нагрузочного момента на валу двигателя ротор тормозится, увеличивается скольжение . При этом увеличиваться ЭДС , ток и электромагнитный момент двигателя . Новое установившееся значение частоты вращения ротора соответствует новому балансу электромагнитного и нагрузочных моментов.

Уравнение моментов установившегося режима

.

В режиме двигателя . Асинхронная машина может работать также в режиме генератора со скольжениями и электромагнитного тормоза со скольжениями .

Рис. 6.12. Диапазоны скольжений при различных режимах работы асинхронной машины

6.4 Уравнение напряжений, схема замещения и векторная диаграмма

Для фазы обмотки статора

.

При приведении обмотки ротора к обмотке статора следует учесть, что в роторе другая частота, зависящая от скольжения .

Приведение параметров ротора по частоте (к неподвижному ротору).

Для того, чтобы уравнения АД были аналогичны уравнениям трансформатора, необходимо ЭДС обмотки ротора привести к частоте ЭДС статора .

ЭДС в роторе при частоте и связаны соотношением

- ЭДС в роторе от потока взаимоиндукции при частоте .

Индуктивное сопротивление рассеяния ротора при скольжении

- индуктивное сопротивление рассеяния ротора при частоте .

Уравнение напряжения ротора

Разделив уравнение на , получим приведенное по частоте уравнение ротора

Частота тока определяется частотой ЭДС равной . Действующие значения и фазы токов и равны

Приведение параметров ротора по частоте можно рассматривать как приведение вращающегося ротора к неподвижному ротору, так как равенство частот соответствует скольжению и частоте вращения . Из приведенных уравнений следует, что переход к эквивалентному неподвижному ротору производится заменой у заторможенного ротора активного сопротивления на сопротивление , то есть активное сопротивление обмотки ротора увеличивается на величину

.

Асинхронная машина с эквивалентным неподвижным ротором в электрическом отношении будет подобна трансформатору, работающему на чисто активную нагрузку . Тем самым в асинхронной машине механические процессы заменяются эквивалентными по мощности электрическими процессами тепловых потерь активной мощности на сопротивлении .

Окончательно, аналогично трансформатору, запишем уравнения асинхронной машины с приведенными роторными величинами

- коэффициент трансформации по току.

, - число фаз обмотки статора и ротора.

- приведенные величины.

Т-образная схема замещения

Представленной математической модели электромагнитных процессов в асинхронной машине соответствует Т-образная схема замещения, показанная на рис. 6.13.

0 SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 6.13. Т-образные схемы замещения асинхронной машины

Векторная диаграмма.

Векторная диаграмма асинхронного двигателя является графическим отражением комплексных уравнений и подобна векторной диаграмме трансформатора.

Рис. 6.14. Векторные диаграммы асинхронной машины при работе в режиме а) двигателя, б) генератора, в) противовключения