Основы_электротехники

АД с короткозамкнутым ротором и повышенным сколь-

жением имеет аналогичное устройство за исключением того, что стержни короткозамкнутой обмотки изготавливаются из бронзы или марганцевистой латуни с повышенным удельным электрическим сопротивлением.

АД с короткозамкнутым ротором и повышенным пуско-

вым моментом отличается тем, что сердечник ротора имеет более глубокие пазы, а короткозамкнутая обмотка имеет вид двойной беличьей клетки. В каждый из пазов укладываются по 2 стержня, принадлежащих двум обмоткам типа «беличья клетка»; при этом внутренние стержни изготовлены из меди, а наружные – из бронзы или марганцовистой латуни. Такая обмотка обеспечивает повышенный пусковой момент двигателя. В момент пуска двигателя, когда скорость вращения ротора близка к нулю, работает наружная обмотка и обеспечивает большой пусковой момент. После того как ротор раскрутится, в работу включается внутренняя обмотка ротора, обеспечивающая высокую скорость вращения ротора в рабочем режиме.

Многоскоростной АД с короткозамкнутым ротором имеет ротор как у двигателя стандартного исполнения, а статор содержит не три обмотки, а большее их количество (6, 9, 12 и т.д.). Это позволяет путем различного включения обмоток статора изменять число пар его полюсов и тем самым ступенчато изменять скорость вращения ротора.

АД с фазным ротором 1 (рис. 5.5) имеет статор как у двигателя стандартного исполнения, однако его ротор содержит не одну, а три обмотки, включенные по схеме «звезда». Концы обмоток ротора объединяются в одну нейтральную точку, а их начала подключается к своим кольцам 2 (вращающимся вместе с валом ротора) и далее с помощью щеток 3 к трехфазному реостату 4, сопротивление которого R2 можно плавно изменять и, тем самым, плавно изменять значения пускового момента и скорости вращения вала ротора. Схема включения реостата дана на рис. 5.5.

100

2) фазные токи iA, iB, iC, проходящие по обмоткам AX, BY, CZ статора, должны быть сдвинуты друг относительно друга на 2π/3 (120º) по времени, т.е. должны иметь временную диаграмму, приведенную на рис. 5.7б.

Значения векторов магнитной индукции в обмотках статора прямо пропорциональны значениям токов, проходящим по их виткам. Направление вектора индукции в каждой обмотке статора можно определить по правилу буравчика, учитывая направление положительной полуволны тока, указанное на рис. 5.7а символом «+» (ток уходит по виткам обмотки за плоскость рисунка) и символом «·» (ток возвращается по виткам обмотки назад).

Например, для обмотки АХ при положительной полуволне тока iA вектор магнитной индукции BA будет перпендикулярен

плоскости этой обмотки и направлен вверх (рис. 5.7а). Для обмотки BY при положительной полуволне тока iB вектор магнитной индукции BB будет перпендикулярен плоскости этой

обмотки и направлен вправо под углом 120º к вектору BA (рис. 5.7а). Аналогично для обмотки CZ при положительной полуволне тока iC вектор магнитной индукции BС будет перпендикулярен плоскости этой обмотки и направлен влево под углом 120º к вектору BA (рис. 5.7а).

Это позволяет найти значение и направление вектора магнитной индукции, создаваемого всеми обмотками статора в любой момент времени диаграммы токов (рис. 5.7б).

Например, в момент времени t1 (рис. 5.7б) действуют положительная полуволна тока iA и отрицательные полуволны токов iB и iC; причем ток iA имеет максимальное (амплитудное) значение, а значения токов iB и iC имеют вдвое меньшие значения.

Соответственно, вектор магнитной индукции BA будет иметь максимальное положительное значение и направлен вертикально вверх (рис. 5.7в), а векторы BB и BС будут иметь

103

вдвое меньшие отрицательные значения, т.е. направления этих векторов будут противоположны их положительным направлениям на рис. 5.7а. Таким образом, в момент времени t1 результирующий вектор магнитной индукции B1 , будет равен векторной

сумме ( B1 = BA + BB + BС ) и будет направлен вертикально вверх

(рис. 5.7в).

Аналогичным образом находятся значения и направления векторов магнитной индукции статора B2 (рис. 5.7г), B3

(или фазных напряжений) на временной диаграмме поменять местами, например, поменять

местами токи iB и iC, то за вектором B1 будет следовать вектор B5 , а затем B4 и B3 , т.е. суммарный вектор магнитной индук-

ции поля статора будет вращаться против часовой стрелки.

Вывод: изменение последовательности фаз напряжений питания любых двух обмоток статора приводит к изменению (к реверсу) направления вращения вектора магнитной индукции поля статора на противоположное.

104

Вращающееся магнитное поле статора положено в основу принципа действия трехфазного АД.

В исходном состоянии ротор неподвижен. При подаче трехфазного напряжения питания на обмотки статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Силовые линии этого поля будут пересекать стержни короткозамкнутой обмотки ротора и наводить в ней электродвижущие силы, значения которых прямо пропорциональны скорости пересечения стержней полем. По закону Ампера на проводники с током будут действовать силы, которые по принципу Ленца стремятся раскрутить ротор в направлении вращающегося магнитного поля и, тем самым, уменьшить скорость пересечения стержней силовыми линиями магнитного поля. Скорость вращения ротора будет увеличиваться до некоторого значения, которое всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля, т.е. ротор вращается медленнее, чем поле статора. Другими словами, ротор двигателя вращается асинхронно, поэтому сам двигатель называется асин-

хронным.

5.4. Параметры асинхронных двигателей

Любой асинхронный двигатель характеризуется следующим набором параметров.

1. Скольжение S ротора относительно вращающегося магнитного поля статора определяется по формуле:

где n1 – скорость вращения магнитного поля статора; n2 – скорость вращения ротора;

для мощных АД S = 0,2;

для маломощных АД S = 0,05.

105

2. Число оборотов n2 вала ротора определяется по фор-

где f – частота напряжений на обмотках статора p – число пар полюсов статора.

При S = 0 и f = 50 Гц из формулы (5.2) получим формулу для определения скорости вращения n1 поля статора:

из которой следует, что для разных значений числа пар полюсов p поле статора будет иметь разные скорости вращения:

p 1; n1 3000 об/мин;

p 2; n1 1500 об/мин;

p 3; n1 1000 об/мин;

p 4; n1 750 об/мин.

3. Вращающий момент M на валу двигателя определяется по формуле:

где U1 – фазное напряжение на обмотках статора, включенных

звездой; СД – константа двигателя;

R2 – активное сопротивление обмотки ротора;

X 2H – индуктивное реактивное сопротивление обмотки неподвижного ротора.

106

Из формулы (5.4) видно, что вращающий момент M двигателя прямо пропорционален квадрату питающего напряжения U12 и активному сопротивлению обмотки ротора R2, поэтому изготовление стержней обмотки ротора и латуни или бронзы, обладающих повышенным удельным сопротивлением, приводит к увеличению его значения.

4. Пусковой момент двигателя МП определяется из форму-

лы (5.4) при S 1:

Из формулы (5.5) следует, что пусковой момент МП двигателя тоже прямо пропорционален квадрату питающего напряжения U12 и активному сопротивлению обмотки ротора R2, т.е. его значение возрастает с увеличением значения R2, что используется в двигателях с фазным ротором для регулирования МП.

5. Максимальный момент Mmax на валу двигателя определяется из формулы (5.5) при оптимальном значении скольжения

S Sopt R2 / X2Н :

Из формулы (5.6) видно, что максимальный момент, как и предыдущие моменты прямо пропорционален U12, но не зависит от активного сопротивления обмотки ротора R2.

5.5. Характеристики асинхронных двигателей

К основным характеристикам асинхронного двигателя от-

носят механическую характеристику – зависимость скорости вращения вала двигателя n от его момента вращения n f M ,

107

зависимость коэффициента мощности cosφ двигателя от на-

грузки на его валу cosφ = f(β) и зависимость КПД η от нагрузки на валу двигателя η = f(β). Графики этих зависимостей приведены ниже.

Механическая характеристика АД стандартного исполнения и приведена на рис. 5.9, где nН – номинальная скорость вращения вала двигателя, nкр – критическая скорость вращения вала, соответствующая максимальному значению момента вращения Mmax и ниже которой двигатель остановится; MП – пусковой момент двигателя; MН и MС – моменты нагрузки и сопротивления на валу двигателя; I – область устойчивой работы двигателя; II – область неустойчивой работы, используемая при пуске или вынужденной останове двигателя.

Двигатель во время пуска и работы преодолевает момент сопротивления MС со стороны механизма. При включении двигателя его пусковой момент MП должен быть больше MС (рис. 5.9). Скорость вращения ротора возрастает до тех пор, пока не установится равенство моментов двигателя и сопротивления. При MС = MН момент двигателя равен номинальному, и ротор вращается с номинальной скоростью nН.

На рис. 5.10 приведены зависимости моментов пуска от значения напряжения питания, где MП3 соответствует номинальному значению напряжения питания U1= U1Н; MП2 – соответствует снижению напряжения питания на 10 % (U1 = 0,9 U1Н), что приводит к уменьшению пускового и максимального моментов примерно на 19 %; MП1 – соответствует снижению напряжения питания на 20 % (U1 = 0,8 U1Н) и снижению моментов двигателя на 35 %.

Отсюда вытекает требование к нестабильности напряжения питания асинхронных двигателей: отклонение напряжения питания от номинального значения не должно превышать

± 5 %.

108