7.3. Режимы работы трёхфазных асинхронных машин

Режим работы трёхфазной асинхронной машины определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора. При этом в связи с особенностями электромагнитных процессов в машине самостоятельно АД не может обеспечить частоту вращения ротора n2, равную частоте вращения магнитного поля статора n1 (синхронной частоте вращения). Мерой относительной разницы частот

Рис. 7.6. Линейная характеристика n2(S)

В режиме двигателя (0 < S < 1) трёхфазная асинхронная машина преобразует электрическую энергию, потребляемую статором из сети, в механическую энергию вращения ротора. При включении машины в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n2 = 0; S = 1). Далее ротор вращается в том же

155

направлении, что и магнитное поле статора. Частота вращения ротора асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора. При отсутствии механической нагрузки на валу (холостой ход) ротор вращается с часто-

той, очень близкой к синхронной частоте. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке на валу, называют номинальным скольжением. Для различных АД общепромышленного назначения в нормальном режиме номинальное скольжение SН = 0,02 – 0,08 и уменьшается с увел чением мощности машины.

СВ реж ме генератора (S < 0) трёхфазная асинхронная машина преобразует механ ческую энергию вращения ротора в электрическую энерг ю, отдаваемую в сеть. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор ас нхронной машины вращать в направлении вращения поля статора с частотой п2 > п1, то ротор будет обгонять поле статора. При этом ЭДС, наведённая в обмотке ротора, изменит

магнитногосвое направлен е. Электромагнитный момент на роторе также изменит своё направлен е, т.е. удет направлен встречно вращающемуся

б вращающемуся моментуАприводного двигателя. В этом случае меха-

магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к

ническая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность переменного тока. Особенность ра оты асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нём создается реактивной мощностью трёхфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдаёт вырабатываемую активную мощность. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение основного

магнитного поля машины.

Д В режиме электромагнитного тормозаИ(S > 1) ротор трёхфаз-

ной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора. Если у работающего трёхфазного асинхронного двигателя поменять местами лю-

бую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение.

156

7.4. Принцип действия трёхфазных асинхронных двигателей

Принцип действия АД в самом общем виде состоит в следующем: статор используется для создания магнитного поля, движущегося с определенной скоростью, а в замкнутых проводящих пассивных контурах ротора наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов и образование моментов сил при их взаимодействии с магнитным полем статора. Под действием электромагнитных сил обмоток ротор вращается в направлен вращения магнитного поля статора [7, 12].

поданном на обмотку статора трёхфазном напряжении в

Ток в каждой фазе о мотки создаёт свою МДС. Результирующая МДС статора создаёт магнитный поток, который замыкается через элементы магнитнойАсистемы машины, состоящей из сердечников статора и ротора и воздушного зазора между ними.

Магнитную систему асинхронной машины называют неявнополюсной, так как она не имеет явно выраженных магнитных полюсов.

Количество магнитных полюсов в неявнополюсной магнитной системе определяется числом полюсовДв обмотке, возбуждающей магнитное поле, в данном случае в обмотке статора. Например, магнитная система четырёхполюсной машины состоит из четырёх одинаковых ветвей, в каждой из которых замыкается половина магнитного потока одного полюса. В двухполюсной машине таких ветвей две, в шести-

полюсной – шесть и т. д. И Катушки фаз обмотки соединены таким образом, что в каждый

момент времени электромагнитные силы (М С, индукция и магнитный поток) одного полюсного деления складываются и образуют результирующее магнитное поле. С изменением направлений и величин токов в катушках непрерывно меняют своё расположение по окружности статора полюсные деления и магнитные полюса машины. Таким образом, результирующее магнитное поле непрерывно «вращается» по окружности статора.

Графики токов и результирующего вектора магнитной индукции статора для моментов времени максимумов фазных токов изображены на рис. 7.7. Примем, что в каждой фазе обмотки имеется всего одна

157

катушка с диаметральным шагом обмотки, т.е. занимающая всё полюсное деление. Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению зна-

ком «×» в начале обмотки, и знаком «∙» (точка) в конце обмотки; а если отрицательный, то наоборот.

где f1 – линейная частота тока в обмотке статора (линейная частота питающего напряжения, обычно 50 Гц); р – число пар полюсов статора.

При наличии всего одной катушки в каждой фазе обмотки статор АД будет иметь только два магнитных полюса (северный N и южный S) или одну пару полюсов (рис. 7.8, а). Тогда за один период изменения фазного тока обмотки статора результирующий вектор магнитной индукции повернётся на один полный оборот, или 360°.

158

Число пар полюсов p магнитного поля статора АД определяется количеством последовательно соединенных катушечных групп в каждой фазе обмотки. При этом катушечные группы одной фазы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп другой фазы обмотки на угол 120°/р.

Например, при последовательном соединении двух катушечных групп каждой обмотки статора (рис. 7.8, б) число пар полюсов р = 2. Тогда магнитное поле за один период изменения фазного тока статора повернётся в пространстве на 180° и частота вращения магнитного

Если обмотка ротора замкнута, то под действием наведённой ЭДС в ней протекают токи, которые, взаимодействуя с вращающимся полем статора, создают результирующую МДС ротора F2. Совместным действием МДС статора F1 и ротора F2 наводят в магнитной системе двигателя результирующий переменный магнитный поток Ф0 [12]:

159

Из уравнений ЭДС (7.6) и ( 7.7) получим для АД коэффициент трансформации токов

витковравны друг другу, так как для АД с короткозамкнутым ротором число ч сло фаз о моток статора и ротора не равны друг другу:

w1 ≠ w2 m1 ≠ m2. Коэффициенты трансформации могут быть равны только у АД с фазным ротором специального исполнения.

На основан второго закона Кирхгофа можно записать уравне-

ния электр ческого состояния фаз статора и ротора:

здесь Х2 – индуктивное сопротивление фазы неподвижного ротора при частоте f1; L2 – индуктивность фазы обмотки ротора.

Уравнение фазы ротора (7.15) можно представить через ЭДС

При изменениях нагрузки на валу двигателя меняются токи в статоре I1 и роторе I2. Дело в том, что ток ротора I2 оказывает на магнитную систему статора такое же размагничивающее влияние, как и ток вторичной обмотки трансформатора на его сердечник (см. подр. 6.7). Увеличение механической нагрузки на валу двигателя сопровождает-

явление называют саморегулирование потребляемой мощности АД.

В то же время вместе с Ф0 принимают прежние значения ЭДС ротора Е2S и, следовательно, ток ротора I2. Увеличение тока ротора приведёт к увеличению вращающего момента, который в установившемся режиме уравновешивает момент нагрузки на валу. Таким образом, реагируя на увеличение моментаДнагрузки, двигатель перейдёт в н о- вое состояние равновесия, которому соответствуют больший вращающий момент, большее скольжение и меньшая частота вращения.

Это явление называют саморегулирование вращающего момента АД.

Если же ротор двигателя затормозить, не отключая обмотки статора от сети (режим короткого замыкания),Ито скольжение S = 1 и ЭДС обмотки ротора Е2S достигает своего наибольшего значения Е2. Также ток ротора I2 достигнет наибольшего значения, а следовательно, и ток в обмотке статора I1. То же самое происходит в момент пуска АД, поэтому пусковой ток статора двигателя I1П в несколько раз (5 – 7) больше своего номинального значения I1Н.

Асинхронная машина с заторможенным ротором может выполнять функцию фазорегулятора – устройства, осуществляющего смещение фазы переменного напряжения, или индукционного регулятора, применяемого для регулирования трёхфазного переменного напряжения. Асинхронные фазорегуляторы используют в схемах автоматики для компенсации фазовой погрешности или в управляемых выпрямителях.

162