Асинхронные машины

Основной тип электродвигателя. До 90% энергии преобразуется. Основной режим – двигательный. В качестве генератора использование ограниченно. В автономном режиме не работает. Синхронные скорости от 300 до 3000 об/мин. По мощности трехфазные от 1 Вт до МВт. U_{ном лин} от 220 В до 10 кВ. По конструктивному исполнению делятся на:

• С короткозамкнутым ротором

• С фазным ротором ( обмотка в Y)

Если ротор короткозамкнут: набор стержней объединенный. Для машин малых и средних мощностей обмотки из Al, а выше – медь. Если не короткозамкнутый ротор, эти кольца замкнуты, т.е. в любом случае есть цепь.

Принцип действия

Статор создает вращающий момент. В самом простом варианте ротор машины – рамка, замкнутая сама на себя. Ротор неподвижен относительно к/з витка вектор В во времени t изменяется синусоидально, т.е. поток по синусоиде будет меняться. Переменное магнитное поле создаст в витке ЭДС.В витке под действием ЭДС будет протекать ток, который взаимодействуя с магнитным полем будет создавать силу, пару сил и т.д. по правилу левой руки. ЭДС по своей фазе отстает от вектора В на . ЭДС достигнет максимума, когда вектор В достигнет положения 2.

Рис6

Если у витка активное сопротивление, то ток по фазе будет совпадать с ЭДС. По правилу левой руки возникнетпара сил, которая будет направлена в направлении вращения. Рассмотрим другой случай: у витка крайне индуктивное сопротивление, отсюда ЭДС стремится к максимуму, но ток по фазе отстает от вектора В на , т.е. ток будет равен 0. Если отпустить рамку, она начнет вращаться. Сможет ли она догнать поле? Нет Поле постоянно, нет ЭДС, машина начнет тормозить. Виток вращается медленнее магнитного поля. Поле вращается со скоростью , пусть рамка вращается со скоростью .

- ситуация при некоторой частоте вращенияЭДС меньшаяI меньшие, т.к. индуктивное R зависит от частоты

, тогда ,где S – величина скольжения

, где X₂ – индуктивное сопротивление при неподвижном роторе. На роторе много рамокпусть их 3, расположены симметрично( магнитные оси расположены на 120⁰) при неподвижном роторе по этой трехфазной цепи будет протекать трехфазная система токовпо трехфазной системе обмоток течет трехфазное же системы токовротор создает свое собственное вращение полечастота тока в роторе совпадает со статоромполя совпадают.

Частота в роторе: поле ротора, вращающегося относительно ротора с частотой f_2,

Угловая скорость ротора:

Угловая скорость вращения поля:

Вывод: поля вращаются синхронно

Если ротор вращается быстрее поля, то относительно ротора, поле поменяет свое направление, отсюда I поменяют направление, момент против вращения поля (отрицательный), далее двигатель перейдет в тормозной режим, скольжение будет отрицательным. Если ротор вращается в противоположную сторону вращения поля, то двигатель будет тормозить.

Схемы замещения. Основные уравнения.

Синхронное вращение полей утверждает, что асинхронную машину можно свести к асинхронной с неподвижным ротором, отсюда изменяется частота вращения поля относительно проводников роторной обмотки. Асинхронная машина подобна трансформаторуупрощается анализ процессов в асинхронной машине и позволяет построить схему замещения, убрать магнитные связи, вращение магнитное поле и свести все к электрическим расчетам. Это используется часто, и схема замещения – модель асинхронного двигателя.

Наиболее употребляемая схема – Т-образная схема замещения

Рис.7

Как и в трансформаторе ветвь с r₁ и х₁ моделирует статор, т.е. его активное сопротивление и х₁ (как в трансформаторе) образуется за счет потоков рассеивания, и они больше, чем в трансформаторе (т.к. нет воздушного зазора). Намагничивающая ветвь х_{0 ,}r₀ моделирует возникновение рабочего магнитного потока и магнитных потерь за счет наличия r₀ из-за воздушного зазора намагничивающий ток>> тока холостого тока трансформатора. Если в трансформаторе Ixx составляет доли %, то здесь десятки %. Для машин малой мощности он близок к Iном . х_{0 ,}r₀ – нелинейны, т.к. основная часть пути проходит по ферромагнетику._,r₀ – отвечает за отображение магнитных потерь в статоре машины. Магнитные потери в роторе не учитывают, т.к. частота тока в роторе прямо пропорциональна скольжению, т.к. в рабочих режимах, скольжение асинхронного двигателя не велико, то и магнитные потери тоже не велики. Но для пускового режима это не так. Ветвь, соответствующая ротору, Приведение параметров к статорной обмотке, также как и в трансформаторе ( и при фазном роторе), соотношение числа витков учитывать необходимо, активная длина проводника определяется с учетом скоса пазов и число фаз роторной обмотки.

Х₂¹ – отвечает за потоки рассеивания (индуктивное сопротивление);

R’₂ – соответствует активному сопротивлению роторной обмотки.

В этой схеме некуда подключить питание, т.е. она замкнута. Это не означает, что изменение нагрузки машины – момент сопротивления, приложен к ее валу. С учетом нагрузки осуществляется тем самым S.

, где - угловая скорость поля;

- частота вращения.

Очевидно, что нагрузка асинхронной машины приводит к тому, что увеличивается Мс к ее валу, далее к уменьшению угловой скорости ротора и далее к увеличению величины скольжения.

Изменение S приведет к: если S увеличится, то уменьшится активное сопротивление, далее увеличится I и вследствие всего увеличится потребляемая мощность из сети.

- частота I в роторе пропорциональна S, отсюда при изменении S, меняется f₂ и x₂ . Почему здесь этого нет? При изменении частоты мы считаем активное сопротивление приблизительно равно const, а здесь оно меняется. Почему? Мы приводим асинхронную машину к неподвижному роторе, отсюда ЭДС Е₂¹ =Е ₁ , возникающей в статоре машины потому, что преобразование электрической энергии во что-то полезное возможно только при существовании активного элементе (может и генератор)по конструкции машины, единственный элемент преобразующий энергию. Откуда ЭДС в статической обмотке? По ротору протекают токи, которые создают реальное поле, у которого угловая скорость = угловой скорости статора. Статические обмотки ничем не хуже, за счет поля в них ЭДС и наводится, т.к I в роторе определяется состоянием ротора, т.е. S, то и ЭДС зависит от S и от нагрузки. Если асинхронная машина в двигательном режиме отключена та питающей сети, остаточная ЭДС также существует. Это потому, что: ротор обладает индуктивностью, ток в роторе спадает во времени экспоненциально, и токи, в стержнях ротора продолжают наводить ЭДС в статорной обмотке, т.к. уменьшается I, машина останавливается. Подпитку точки короткого замыкания асинхронной машины учитывают, при расчетах термической устойчивости. При «ХХ» выбеге ничто, кроме Fтрения не препятствует. Если статор отключен, то выбег ускоряетсядинамический тормоз, пока не спадет ЭДС. Двигатель под 2 МВт, если статор замкнут под трансформатор, остаточная ЭДС спадает за 0,5-0,6 сек. Т.к. при выбеге ЭДС меняется по начальной фазе, а также вследствие уменьшения угловой скорости, она меняется по частоте. При повторном пуске ЭДС не попадет в фазу с питающего напряжения

( несинусоидальность включения).Когда на одной статорной обмотке ЭДС оказывается в противофазе пусковой I будет больше паспортного Iмашины. Воздействие этого I(динамическое воздействие на лобовой части) может оказаться большим, и двигатель может не пережить. Для крупных асинхронных машин обычно устанавливается максимальное допустимое значение Еост, при котором гарантируется целостность машины, после повторного пуска. Обычно это приблизительно 30% от Uном статора. Однако, ее можно повысить до 50%. В отличие от машины постоянного тока любая асинхронная машина допускает заведомо прямой пуск, а число пусков =2-3.

, разделим на S.

, где Е₂₁ – при нулевой скорости при единичном скольжении

Е₂₁=const, приводя машину с вращающимся ротором к неподвижному ротору.

Направления на схеме замещения положительные. Уравнение состояния очевидно:

, Все соответствует трансформатору. K_I – коэффициент приведения токов.

В схеме замещения нужно получить мощность машины, Р₁ – в статоре; Р₂ – злектромагнитная мощность. Изменение нагрузки машины приведет к изменению скольжения.

, m – число фаз

Схема замещения асинхронного двигателя строится в расчете на одну фазу, чтобы получить Рэм, ее надо домножить на число фаз. Схему замещения рассчитывают на эквивалентную звезду. Для двигателей больше 1 кВ это всегда, также как и для 660 В, но для 220 В это не соответствует действительности. Нулевая точка не заземлена.