2 семестр / МВ,МД,МО,МС.Электрические машины / Электрические машины. Вопросы к защите Пацкевич / АД

Тема «Асинхронные двигатели»

1. Конструкция, принцип действия и назначение всех частей АД.

2. Условия возникновения вращающегося поля.

3. Факторы, влияющие на частоту вращения поля статора.

4. Что такое скольжение и пределы изменения его в двигательном режиме.

5. Почему ротор АД не может достичь частоты вращения поля статора?

6. Выражения для ЭДС в роторной и статорной обмотках при вращающемся и неподвижном роторе.

7. Процессы в АД при неподвижном роторе.

8. Процессы в АД при вращающемся роторе.

9. Схемы замещения АД.

10. Как перевести реальные параметры роторной обмотки в приведенные значения?

11. Выражение для тока в роторной обмотке.

12. Энергетическая диаграмма АД.

13. Почему на энергетической диаграмме отсутствуют потери в магнитопроводе ротора?

14. Почему ток холостого хода АД больше тока холостого хода трансформатора?

15. Как влияет нагрузка АД на значение магнитного потока в двигателе?

16. Электромагнитная мощность и вращающий момент АД.

17. Механическая характеристика АД.

18. Какой момент называется критическим?

19. Какое скольжение называется критическим?

20. Факторы, влияющие на критический момент.

21. Факторы, влияющие на критическое скольжение.

22. Какой участок механической характеристики является рабочим и почему?

23. Почему с увеличением тормозного момента частота вращения ротора АД уменьшается?

24. Почему при пуске возникает большой пусковой ток?

25. Способы уменьшения пускового тока.

26. Регулирование частоты вращения ротора АД.

27. Как деформируется механическая характеристика АД при изменении активного сопротивления роторной цепи?

28. Как деформируется механическая характеристика АД при изменении подводимого к двигателю напряжения?

29. Специальные АД с улучшенными пусковыми характеристиками.

30. Как реверсировать АД?

31. В каком случае при пуске будет большой пусковой ток: при пуске загруженного или незагруженного двигателя?

1. АД состоит из двух частей: подвижной (ротор) и неподвижной (статор). Статор – полый ферромагнитный цилиндр, набранный из пластин электротехнической стали (0,35-0,5 мм). На внешней поверхности этого цилиндра имеются пазы, в которые укладывается обмотка статора. Статор предназначен для создания вращающегося магнитного поля внутри его расточки. Обмотка статора состоит из отдельных катушек (секций), которые объединены в 3 группы (фазы) статора. Фазы статора располагаются на внешней поверхности ротора таким образом, что оси смещены в пространстве на 120º (если одна пара полюсов). Фазы статора электрически соединяются между собой треугольником или звездой.

Внутрь расточки статора помещен ротор АД, который представляет собой ферромагнитный цилиндр, набранный из пластин электротехнической стали, на внешней поверхности которого имеются пазы, внутрь которых укладывается роторная обмотка. В зависимости от исполнения обмотки ротора АД делятся на двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором.

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, которое пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Т.к. обмотка ротора замкнута, то в проводниках возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы. Эти силы стремятся повернуть ротор в направлении вращения поля статора. Совокупность этих сил, приложенных к проводникам создает на роторе электромагнитный момент, приводящий его во вращение.

2. Для возникновения вращающегося магнитного поля необходимо:

• наличие трех намагничивающих катушек, оси которых сдвинуты в пространстве на 120º;

• питание намагничивающих катушек перемагничивающим током, сдвинутым во времени на 120 электрических градусов (трехфазный переменный ток).

3. Частота вращения поля статора определяется по формуле n=60f/p (f – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов). Отсюда следует, что частоту вращения магнитного поля статора можно регулировать изменением количества пар полюсов или изменением частоты питающего напряжения.

4. Скольжение – это безразмерный коэффициент показывающий отставание частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора.

S = (n₁-n₂)/n₁∙100% (n₁ – частота вращения магнитного поля статора, n₂ – частота вращения ротора). Изменяется в пределах S= 0..1.

5. Ток в роторе, и ⇒ ЭДС могут возникать только в том случае, если магнитное поле пересекает проводники ротора. Если предположить, что поле статора и ротор вращаются с одинаковой частотой, то в этом случае проводники ротора оказываются неподвижными относительно магнитных силовых линий поля статора. Это значит, что в проводниках не будет ЭДС, тока в роторной обмотке, а также исчезнет вращающий момент. Однако, даже в режиме ХХ существует небольшой тормозной момент, обусловленный трением в подшипниках и ротора о воздух. Для его преодоления требуется небольшой вращающий момент, поэтому даже в режиме ХХ частота вращения ротора никогда не достигнет частоты вращения поля статора.

6. При неподвижном роторе:

w_1, w₂ – число витков в фазе статорной и роторной обмоток;

f – частота питающего напряжения;

B_m – амплитудное значение магнитного потока, пронизывающего фазу дв-ля;

S – площадь поперечного сечения, по которой проходит поток фазы;

к_об1, к_об2 – обмоточный коэффициент статорной и роторной обмоток

При переходе от неподвижного ротора к подвижному в статорной обмотке практически ничего не меняется, т.к. подводимое напряжение и частота остаются неизменными. ЭДС роторной обмотки: (s – скольжение$ f₁ – частота питающего напряжения).

7. Если разомкнуть роторную обмотку двигателя с фазным ротором, а статорную подключить к трехфазному источнику питания, то в машине возникнет вращающееся магнитное поле, которое при своем вращении пронизывает обмотки ротора и статора и наводит в них ЭДС

В таком случает АД можно считать подобно трансформатору, статорная обмотка эквивалентна первичной обмотке трансформатора, а роторная – вторичной. Для двигателя по II закону Кирхгофа можно записать

E₁ – ЭДС в статорной обмотке, возникающая от вращающегося магнитного поля

х₁ – индуктивное сопротивление рассеяния в статорной обмотке;

r₁ – активное сопротивление обмотки статора;

I₀ – ток статорной обмотки, аналогичный току ХХ трансформатора

Если ротор двигателя зафиксировать, чтобы он не вращался, и замкнуть обмотку ротора, то двигатель перейдет в режим КЗ. В этом режиме возникают значительные токи в обмотках статора и ротора, а значит и намагничивающие силы, которые в 5-8 раз могут превышать намагничивающую силу статорной обмотки в режиме ХХ. Следовательно намагничивающие силы статорной и роторной обмоток в режиме КЗ ≈ равны и направлены встречно.F₁≈–F₂

0,9 I₁w₁к_oб1 ≈ 0,9 I₂w₂к_oб2.Тогда есть коэффициент трансформации тока. По аналогии у АД есть и коэффициент трансформации ЭДС

8. Для статорной обмотки при переходе к вращению ничего не изменяется, т.к. подводимое напряжение и частота сети остаются неизменными, изменяется лишь ток, потребляемый из сети. В роторной обмотке с началом вращения изменяется скорость пересечения магнитными силовыми линиями поля статора проводников ротора. В результате происходит процесс уменьшения частоты ЭДС, наводимой в роторной обмотке f₂= sf₁ (f₂ – частота ЭДС роторной обмотки; f₁ – частота сетевого напряжения; s – скольжение). Изменение частоты ЭДС, а следовательно и тока в роторной обмотке у обычных двигателей практически не вызывает изменения активного сопротивления роторной цепи, его можно считать неизменным. Индуктивное сопротивление цепи зависит от частоты протекающего тока (х=2πfL). Т.к. f₂ пропорциональна скольжению, то изменение индуктивного сопротивления роторной цепи х_2s=sх₂ (х_2s – индуктивное сопротивление роторной обмотки вращающегося ротора; х₂ – индуктивное сопротивление роторной цепи неподвижного ротора). Изменение частоты вызывает и изменение значения ЭДС в роторе Е_2s=sЕ₂ (Е_2s – ЭДС в роторной обмотке вращающегося ротора; Е₂ – ЭДС роторной обмотки неподвижного ротора). Тогда для тока роторной обмотки можно записать выражение

9. Т-образная схема замещения. Активное сопротивление рассматривается как внешнее сопротивление, включенное в обмотку неподвижного ротора.

I₂

Для облегчения анализа процессов схему изменяют, имеем Г-образную схему замещения

10. 

k_e, k_i – коэффициенты трансформации токов и ЭДС соответственно.

11. (расшифровка параметров формулы см. в. 8.)

12. Активная мощность Р₁, потребляемая двигателем из сети состоит из двух частей: из мощности потерь и электрической мощности. Потери в статоре состоят из двух частей: потерь в обмотке статора ΔP_1м и потерь в сердечнике статора ΔP_1с. Получаемая после вычитания мощности потерь в статоре мощность Р_эм с помощью магнитного поля передается на ротор АД. Эта мощность также делится на 2 части: полезную Р₂ и мощность потерь в роторе. Мощность потерь в роторе также состоит из двух частей: электрических потерь ΔP_2м и механических потерь ΔP_2мех.

13. Потери в магнитопроводе ротора практически отсутствуют из-за малой частоты перемагничивания f₂= s f₁

14. Из-за наличия в магнитопроводе асинхронной машины большого воздушного зазора (между ротором и статором) на пути прохождения магнитного потока. У трансформатора такого зазора нет. На преодоление большого воздушного зазора статорная обмотка АД должна создавать и большую намагничивающую силу, в результате чего по этой обмотке протекает значительный ток.

15. Никак. Основной поток сохраняется неизменным, т.к. напряжение, подведенное к обмотке статора, неизменно и почти полностью уравновешивается ЭДС U₁=E_1.

16. Электромагнитная мощность передается на ротор вращающимся полем статора, которое вращается с некоторой частотой. P_эм= ω₁М_эм (ω₁ – угловая частота вращения магнитного поля статора; М_эм – электромагнитный момент, развиваемый двигателем). В эквивалентной цепи ротора единственным активным элементом, в котором может выделяться мощность, является параметр r₂/s (r₂ – активное сопротивление обмотки статора, s – скольжение). Тогда электромагнитная мощность будет пропорциональна квадрату тока P_эм=(I₂^/)² r₂/s. На основании схемы замещения для приведенного значения тока роторной цепи можно записатьтогда (с учетом того, что с≈1)

17. Механической характеристикой АД называется зависимость электромагнитного момента от скольжения. М_к – критический момент – максимально возможный электромагнитный момент, развиваемый двигателем; М_п – пусковой момент – момент развиваемый двигателем в первый момент включения (когда s=1); М_н – номинальный момент; S_к – критическое скольжение – скольжение, при котором развивается критический момент; S_н – номинальное скольжение.

18. Максимально возможный электромагнитный момент, развиваемый двигателем.

19. Скольжение, при котором развивается критический момент.

20. Критический момент определяется по формуле M_к=3U²/2ω(x₁+x₂^/). Тогда величина критического момента зависит от частоты питающего напряжения, а также от его величины. От индуктивного сопротивления обмотки статора, а также от индуктивного сопротивления роторной обмотки.

21. Критическое скольжение определяется по формуле Тогда его величина зависит от активного сопротивления роторной обмотки, индуктивного сопротивления статорной и роторной обмоток.

22. Рабочим называется участок, находящийся в диапазоне скольжений 0..S_к. На этом участке увеличение нагрузки на вал двигателя вызывает замедление его вращения и в результате возрастает электромагнитный момент. Уменьшение частоты вращения будет происходить до тех пор, пока возрастающий электромагнитный момент не сравняется с новым тормозным. Если тормозной момент будет больше, чем М_к, то двигатель остановится и перейдет в режим КЗ.

23. При увеличении тормозного момента двигатель увеличивает электромагнитный момент до равенства с тормозным. Из графика механической характеристики видно, что при увеличении электромагнитного момента, увеличивается и скольжение, а значит частота вращения ротора уменьшается.

24. В момент включения ротор АД неподвижен, а значит скольжение максимально (s=1). А т.к. ЭДС в роторной обмотке пропорциональна скольжению, то при пуске в этой обмотке наводится максимальная ЭДС, которая вызывает большой пусковой ток в роторной обмотке. В результате роторная обмотка создает большую размагничивающую МДС. Для преодоления этой МДС и сохранения неизменным магнитного потока в машине статорной обмотке необходимо также увеличивать намагничивающую силу, что реализуется через увеличение тока статорной обмотки.

25. Реостатный пуск. В момент запуска двигатель подключается через пусковые реостаты с активным сопротивлением, которые уменьшают пусковой ток, после разгона двигателя до скорости близкой к номинальной, ток из сети подается минуя пусковые реостаты.

Реакторный пуск. В момент запуска двигатель подключается через пусковые реостаты с индуктивным сопротивлением. Используются специальные катушки индуктивности (реакторы). Реактор обладает большим индуктивным сопротивлением и малым активным. В результате потери в реакторе меньше, что повышает КПД пуска.

Автотрансформаторный пуск. На время разгона двигателя подводимое к нему напряжение уменьшается с помощью автотрансформатора.

Изменение схемы подключения. На время разгона фазы статора с помощью коммутационной аппаратуры соединяются в звезду, при этом пусковой ток уменьшается в 3 раза. После разгона фазы статора снова соединяются треугольником и двигатель работает в номинальном режиме. Данный способ возможен только если номинальное напряжение сети 220В.

26. Частоту вращения можно регулировать изменением:

• числа пар полюсов. Выпускаются специальные многоскоростные двигатели, у которых путем изменения схемы соединения статорной обмотки изменяется число пар полюсов;

• частоты питающего переменного тока. Между двигателем и сетью включается преобразователь частоты, который позволяет получить на выходе плавно изменяемую частоту (от нескольких до 50-60 Гц);

• скольжения. Реализуется изменением подводимого к двигателю напряжения питания. Однако, изменение в этом случае будет несколько %. Более значительный диапазон регулирования можно получить, изменяя активное сопротивление в цепи ротора (возможно только у АД с фазным ротором), в цепь ротора вводится регулирующий реостат, изменяя его сопротивление можно изменить частоту вращения АД.

27. Диаграмма деформируется вдоль оси скольжения. M_к= 3U²/2ω(x₁+x₂^/). s_к=r₂^//(x₁+x₂^/) Как следует из формул величина максимального момента двигателя не зависит от активного сопротивления r₂^/, так же видно, что величина критического скольжения s_к пропорциональна r₂^/. Из графика видно, что можно подобрать такое значение активного сопротивления цепи ротора, при котором критическое скольжение =1, это значит что максимальный момент можно развить при пуске АД, тем самым облегчается пуск двигателя (r₁<r₂<r₃).

1

28. Диаграмма деформируется вдоль оси момента. M_к= 3U²/2ω(x₁+x₂^/). s_к=r₂^//(x₁+x₂^/) Из формул видно, величина момента пропорциональна квадрату напряжения, подводимого к обмотке статора, а величина критического скольжения не зависит от напряжения.

29. Эти двигатели имеют меньший пусковой ток и больший пусковой момент. У глубокопазных двигателей пазы в роторе делаются узкими и глубокими. Т.к. по роторной обмотке протекает переменный ток, то в ней проявляется поверхностный эффект, степень которого зависит от частоты. Чем выше частота, тем больше поверхностный эффект, и тем меньшая часть проводника пропускает ток, а значит возрастает сопротивление проводника. Увеличение сопротивления роторной обмотки во время разгона двигателя уменьшает пусковой ток АД и увеличивает его вращающий момент. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, а значит уменьшается и частота тока в роторной обмотке (f₂=s f₁), что сказывается на уменьшении поверхностного эффекта, в результате чего ток начинает протекать по большей части проводника ротора, сопротивление уменьшается, и двигатель выходит на номинальный режим работы.

У двухклеточных двигателей на роторе имеется две короткозамкнутых обмотки. Одна ближе к поверхности, а вторая располагается более глубоко. При пуске, когда частота изменения магнитного поля в роторе максимальна, ток в основном проходит по наружной обмотке. Эта обмотка имеет повышенное сопротивление, а значит пусковой ток получается небольшим. По мере разгона двигателя частота изменения магнитного потока в роторе уменьшается, уменьшается и влияние поверхностного эффекта, и в работу вступает внутренняя обмотка, имеющая малое сопротивление.

30. Ротор вращается по направлению вращения поля статора, значит достаточно изменить направление вращения поля статора. Для этого необходимо изменить чередование фаз на зажимах статорной обмотки. (Н.п. A-B-C на A-C-B).

31. В обоих случаях. В первый момент времени при включении ротор АД не подвижен, скольжение s=1

9