Глава 3. Электромеханические свойства двигателей переменного тока

3.1. Общие сведения

Наиболее распространенными типами электродвигателей являются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором, асинхронные двигатели с фазным ротором и синхронные двигатели (СД). Эти электродвигатели используются в нерегулируемых и регулируемых электроприводах.

Для нерегулируемых электроприводов характерно непосредственное включение электродвигателя в питающую сеть без промежуточных преобразователей электрической энергии (преобразователей частоты и регуляторов напряжения). Для нерегулируемых асинхронных короткозамкнутых электродвигателей обычно используются следующие функции управления: включение и отключение двигателя, реверсирование направления вращения, иногда электрическое торможение двигателя. Для приводов с синхронными двигателями кроме указанных функций необходимо также регулирование тока возбуждения. При использовании асинхронных двигателей с фазным ротором для обеспечения плавности пуска и снижения пусковых токов в цепь ротора на время пуска вводится добавочное сопротивление, величина которого ступенчато уменьшается по мере разгона двигателя.

Управление нерегулируемым приводом осуществляется чаще всего с помощью контактной аппаратуры управления и защиты. В последнее время для коммутации цепей обмоток асинхронных двигателей используются также бесконтактные аппараты - тиристорные пускатели. На рис.3.1 представлены схемы включения и реверсирования асинхронного к.з. двигателя с использованием контактной и бесконтактной аппаратуры.

При включении контактора КМ1 происходит пуск двигателя в направлении «вперед» (см. рис.3.1, а). Для изменения направления вращения двигателя необходимо поменять порядок чередования фаз на статорных обмотках. Поэтому для пуска двигателя в направлении «назад» включается контактор КМ2. При использовании бесконтактных тиристорных пускателей каждый полюс контактора заменяется двумя тиристорами, включенными встречно – параллельно. При подаче импульсов на управляющие электроды тиристоров VS11, VS12, VS13 двигатель включается в направлении «вперед». При подаче импульсов на управляющие электроды тиристоров VS21, VS12, VS23 двигатель включается с обратным направлением вращения. Защита от токов короткого замыкания и от перегрузки осуществляется автоматическим выключателем QF.

Основной характеристикой нерегулируемого электропривода являются номинальные данные приводного электродвигателя, т.е. те данные, которые относятся к основному расчетному режиму работы двигателя. Номинальная мощность определяется как мощность на валу двигателя, на которую он рассчитан по условиям нагревания в длительном режиме работы или в том режиме, для которого этот двигатель предназначен. К номинальным данным относятся также частота и напряжение питания, скорость вращения, ток в обмотках, КПД и cosφ, соответствующие номинальному режиму работы.

3.2. Электромеханические свойства асинхронных двигателей

3.2.1. Принцип работы асинхронного двигателя

Наиболее распространенными электрическими двигателями в промышленности, сельском хозяйстве и во всех других сферах применения являются асинхронные двигатели. Можно сказать, что они являются основным средством преобразования электрической энергии в механическую.

Асинхронный двигатель является трехфазной индукционной электрической машиной переменного тока. На статоре двигателя располагаются три распределенные обмотки, сдвинутые друг относительно друга на 120⁰, если число пар полюсов машины , как это показано на рис.3.2, а. Если число пар полюсов (р_п), образуемых обмотками, более одного, то соответственно увеличивается число секций обмотки, и они будут сдвинуты геометрически друг относительно друга уже не на 120⁰, а на .

Фазные статорные обмотки асинхронного двигателя соединяют в звезду (рис.3.2, б) или в треугольник (рис.3.2, в). Обычно асинхронные двигатели малой и средней мощности сконструированы на номинальное напряжение 380/220В. При этом, если напряжение питания 380 В, то обмотки соединяют в звезду (), если напряжение питания 220 В, то обмотки соединяют в треугольник (Δ). В обоих случаях напряжение, прикладываемое к фазной обмотке статора двигателя, равно 220 В.

Работа асинхронного двигателя основана на формировании силового электромагнитного поля статора. Благодаря пространственному сдвигу обмоток на градусов и временному сдвигу трех фаз напряжения, прикладываемого к обмоткам, (фазы напряженийU_A, U_B, и U_С сдвинуты на 120 электрических градусов - радиан), результирующий вектор магнитодвижущих сил, создаваемых токами в обмотках двигателя, равномерно перемещается по окружности расточки статора со скоростью

, (3.1)

где: f₁ – частота синусоидального тока в обмотках статора;

р_п – число пар полюсов машины.

Поскольку воздушный зазор равномерен, машина симметрична и обмотки статора равномерно распределены, магнитодвижущие силы создают магнитный поток, результирующий вектор которого вращается в пространстве со скоростью . Принцип образования вращающегося магнитного поля в обмотках статора можно уяснить из рассмотрения рис.3.3. На рис.3.3,а представлена эпюра системы трехфазных токов, протекающих по обмоткам статора (мгновенные значения токов в обмотках фаза, в и с в зависимости от времени ). Рассмотрим положение в пространстве результирующего вектора м.д.с. статора в момент времениt₁.

.

Вектор м.д.с. обмотки а направлен по оси «а» в положительном направлении и равен 0,5I_а.максw; вектор м.д.с. обмотки с направлен по оси «с» в положительном направлении и равен 0,5I_с.максw. Сумма векторов направлена по оси «в» в отрицательном направлении; с этой суммой складывается вектор м.д.с. обмотки «в», равный_в.макс. Сумма этих векторов образует пространственный вектор , пропорциональный величине 3/2I_макс и занимающий пространственное положение, как показано на рис.3.3,б.

По прошествии времени (при частоте 50 Гц черезс.) наступит момент времениt₂, при котором вектор м.д.с. обмотки «а» имеет максимальное положительное значение, а векторы м.д.с. обмоток «в» и «с» – половинное отрицательное значение. Результирующий вектор м.д.с.займет в этот момент положение, показанное на рис. 3.3,б, т.е. переместится по отношению к предыдущему положениюна пространственный угол 60⁰ по часовой стрелке. Нетрудно убедиться, что в момент времени t₃ результирующий вектор м.д.с. обмоток статора займет положение, т.е. будет продолжать перемещаться в пространстве по часовой стрелке. За время периода питающего напряжения результирующий вектор м.д.с.совершит полный оборот по часовой стрелке, занимая далее последовательно положение.

Предоставляем читателю самому убедиться, что при изменении порядка чередования фаз напряжения, подводимого к обмоткам двигателя (если, например, поменяем местами фазы В и С на рис.3.2,б,в), результирующий вектор потокосцепления будет вращаться против часовой стрелки, т.е. изменится направление вращения магнитного поля, образуемого токами в обмотках статора.

Если число пар полюсов двигателя больше единицы, то увеличивается число секций обмоток, располагаемых по окружности статора. Так, если число пар полюсов р_п=2, то все три фазные обмотки расположены на одной половине окружности статора, соответственно и на второй его половине. В этом случае за время одного периода питающего напряжения вектор м.д.с. статора пройдет половину окружности, т.е. повернется на 180 геометрических градусов, и скорость вращения магнитного поля статора будет вдвое меньше, чем у машин ср_п=1. Следовательно, скорость вращения магнитного поля статора (ее также называют синхронной скоростью) обратно пропорциональна числу пар полюсов машины и будет в согласно (3.1) соответствовать значениям, указанным в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Зависимость скорости вращения асинхронных двигателей от числа пар полюсов

Число пар полюсов	Угловая скорость электромагнитного поля статора , 1/с	Синхронная скорость вращения асинхронного двигателя , об/мин	Примерная номинальная скорость вращения двигателя, об/мин
1	314	3000	2940
2	157	1500	1450
3	104.6	1000	980
4	78,5	750	735
5	62,8	600	585
6	52,3	500	490

В зависимости от конструкции ротора асинхронного двигателя различают асинхронные двигатели с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором на роторе располагается трехфазная распределенная обмотка, соединенная обычно в звезду, концы обмоток соединены с контактными кольцами, через которые электрические цепи ротора выводятся из машины для подключения к пусковым сопротивлениям с последующим закорачиванием обмоток. В короткозамкнутых двигателях обмотка выполнена в виде беличьей клетки – стержней, замкнутых накоротко с двух сторон кольцами. Несмотря на специфическое конструктивное устройство, беличью клетку также можно рассматривать как трехфазную обмотку, замкнутую накоротко.

Электромагнитный момент М в асинхронном двигателе создается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля статора Ф с активной составляющей тока ротора

(3.2)

где: к – машинная постоянная.

Ток ротора возникает благодаря э.д.с. Е₂, которая индуктируется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающая при неподвижном роторе в его обмотках э.д.с. называется номинальной фазной э.д.с. ротора Е_2н. Эта э.д.с. приблизительно равна фазному напряжению статора, деленному на коэффициент трансформации к_Т

. (3.3)

Величина э.д.с. ротора Е₂ при вращающемся двигателе и частота этой э.д.с. (а значит, и частота тока в обмотках ротора) f₂ зависят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе – стержней). Эта частота определяется разностью скоростей поля статора и ротора. Эта разность называется абсолютным скольжением

. (3.4)

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с постоянной частотой питающего напряжения (50 Гц) обычно пользуются относительной величиной скольжения

. (3.5)

Когда ротор двигателя неподвижен, s=1.

Наибольшая величина э.д.с. ротора при работе в двигательном режиме будет при неподвижном роторе (Е_2н); по мере увеличения скорости (уменьшении скольжения) э.д.с. Е₂ будет уменьшаться

. (3.6)

Аналогично частота э.д.с. и тока ротора f₂ при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора f₁, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению

. (3.7)

В номинальном режиме скорость ротора незначительно отличается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5…200 кВт всего 2-3%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответственно в номинальном режиме э.д.с. ротора составляет 1…3% от номинального значения этой э.д.с. при s=1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5…1,5 Гц. При s=0, когда скорость ротора равна скорости поля, э.д.с. ротора Е₂ и ток ротора I₂ будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.

Зависимость частоты э.д.с. и тока ротора от скольжения определяет своеобразие механических характеристик асинхронного двигателя.