Лекция №10. Асинхронные машины Цель: ознакомиться с устройством, принципом действия, характеристиками, классификацией и применением асинхронных машин Общие определения и понятия Электрические машины переменного тока служат для превращения механической энергии в электрическую (генераторы) и для обратного превращения (электродвигатели). Для преобразования механической энергии в электрическую или обратно необходимо создать относительное движение проводящего контура с током и магнитного поля (магнита или тока). В электрических машинах, рассчитанных на длительную работу, используется вращательное движение подвижной части машины (ротора), расположенной внутри неподвижной части (статора). Обмотка машины, служащая для создания магнитного поля, называется индуктором, а обмотка, обтекаемая рабочим током, называется якорем. Оба последних термина употребляются и для машин постоянного тока. Для увеличения магнитной индукции обмотки машин размещаются на ферромагнитных телах (сталь, чугун). Все электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут использоваться как в качестве генераторов электрической энергии, так и в качестве электродвигателей. Вращающееся магнитное поле Представим себе вращающийся постоянный магнит. Вместе с магнитом будет перемещаться и создаваемое им магнитное поле, и мы получим вращающееся магнитное поле. Если в такое поле поместить магнитную стрелку, то она будет стремиться установиться вдоль линий поля и поэтому придет во вращение в ту же сторону, в которую вращается поле. Подобно магнитной стрелке будет вести себя замкнутый виток проволоки. Вследствие движения поля относительно витка в проволоке возникнет индукционный ток, который будет направлен так, как показано на рисунке. На этот ток со стороны магнитного поля будут действовать силы, стремящиеся вращать виток вместе с полем, и виток придет во вращение. Таким же образом будут вести себя массивные металлические диск или цилиндр, так как в них также будут наводиться индукционные токи, которые будут замыкаться в толще металла диска или цилиндра (так называемые вихревые токи), однако, так же как и токи в проволоках, они будут взаимодействовать с магнитным полем. Возникающие при этом силы, согласно закону Ленца, будут направлены так, чтобы уменьшить скорость вращения диска относительно поля, отчего диск (или цилиндр) придет во вращение в том же направлении, как и поле. Вращающееся магнитное поле можно получить и с помощью переменных токов. Рассмотрим сначала получение вращающегося ноля при помощи двухфазного тока. Пусть имеются две катушки 1 и 2 (см. рис.), повернутые друг относительно друга на угол 90°, питаемые двухфазным током. Это значит, что если ток в катушке 1 меняется по закону I1 I 0 sin t , то ток в катушке 2 будет I 2 I 0 sin t 90 . Катушка 1 создает переменное магнитное поле B1, изменяющееся по закону B1 B0 sin t . Катушка 2 создает магнитное поле B2, направленное перпендикулярно к полю B1 и отстающее от него по фазе на 90°: B2 B0 sin t 90 B0 cos t . Индукция результирующего поля B B12 B22 B0 остается постоянной во времени. Направление же этого поля изменяется. Будем характеризовать это направление углом , составленным вектором B и осью Y. Тогда B tg 1 tgt , t . B2 Мы видим, что вектор B результирующего поля равномерно поворачивается против часовой стрелки с угловой скоростью , т. е. мы имеем вращающееся магнитное поле, подобное полю вращающегося постоянного магнита. Легко видеть, что если бы мы пересоединили концы одной из катушек 1 или 2, то мы изменили бы знак одного из полей B1 или B2 и при этом получили бы t , т. е. вращение по часовой стрелке. Для получения вращающегося магнитного поля с помощью трехфазного тока нужны три катушки (или их число, кратное трем) соответственно трем переменным токам в системе трехфазных токов. Катушки 1, 2 и 3 должны быть повернуты друг относительно друга на углы 120°, как показано на рисунке. В этом случае мы имеем три переменных магнитных поля B1, B2 и B3, которые составляют друг с другом, так же как и катушки, углы в 120°. Колебания этих полей выражаются формулами B1 B0 sin t , B2 B0 sin t 120 , B3 B0 sin t 240 . Нетрудно показать, что эти три поля, складываясь, дают результирующее поле, вращающееся с угловой скоростью . Индукция 3 результирующего поля остается постоянной и равной B0 . Если поменять 2 местами концы любой пары проводов, присоединенных к катушкам поля (или к зажимам генератора), то направление вращения поля изменяется на обратное. Устройство асинхронных машин Вращающееся магнитное поле используют в асинхронных машинах переменного тока. Трехфазные асинхронные машины были разработаны в 1888 г. М.О. Доливо-Добровольским. Асинхронная машина – это машина переменного тока, в которой возбуждается вращающееся магнитное поле. Ротор вращается асинхронно, т. е. со скоростью, отличающейся от скорости вращения поля. Асинхронные машины принципиально могут быть генераторами или двигателями. Характеристики асинхронных двигателей очень высоки, и они широко применяются в технике. Асинхронные генераторы практически не используются, так как имеют очень низкие эксплуатационные качества. Благодаря своей простоте, надежности и эффективности асинхронные двигатели получили широкое распространение. Свыше 85% всех электрических машин – это трехфазные асинхронные двигатели. Асинхронная машина состоит из статора и ротора. Статор имеет сердечник в виде полового цилиндра, в пазах которого расположена трехфазная обмотка. В простейшем случае она состоит из трех катушек, которые сдвинуты одна относительно другой на 120°. Ротор представляет собой цилиндр, собранный и листов электротехнической стали и укрепленный на валу. На поверхности ротора вытачиваются пазы, в которые укладывается или заливается обмотка ротора. Эта обмотка не имеет электрической связи с питающей сетью. Ротор бывает двух типов: - короткозамкнутый; - фазный. В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из отдельных стержней, заложенных в пазы и соединенных с торцовых сторон кольцами. Такая обмотка носит название беличьего колеса (беличья клетка). На рисунке показано устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Поскольку на роторе нет коллекторного узла, ротор не имеет скользящих контактов, двигатель очень дешев, легок и экономичен. Это двигатель основного исполнения. В двигателях большой мощности проводники ротора образуют разомкнутую трехфазную обмотку из изолированного провода, уложенную в пазы пакета ротора. Как и обмотка статора, она состоит из трех катушек или трех групп катушек. Концы катушек соединены в звезду на роторе, а начала выведены к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изолированным от него. К этим кольцам при помощи скользящих контактов (щеток) присоединен трехфазный реостат, который служит для пуска двигателя в ход. После того как двигатель раскрутится, реостат полностью выводят, и ротор превращается в короткозамкнутый. Двигатель с фазным ротором намного сложнее, чем с короткозамкнутым. Применяются в тех случаях, когда требуется осуществить плавный запуск механизма с большим пусковым моментом Стандартом предусмотрены упрощенный и развернутый способы графического обозначения асинхронных машин. При упрощенном способе обмотки статора и ротора изображаются в виде окружностей. В развернутых обозначениях обмотка статора представлена в виде цепочки полуокружностей, а обмотка ротора – в виде окружности. На рис. а приведены упрощенное и развернутое графические изображения короткозамкнутого асинхронного двигателя. На рис. б показаны упрощенное и развернутое обозначения асинхронной машины с фазным ротором. В обоих случаях обмотка статора соединена в треугольник. Основные характеристики двигателя К основным техническим характеристикам трехфазного асинхронного электрического двигателя относятся мощность, частота вращения, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности (cos ), масса и другие. Трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения поля зависит только от частоты тока и количества пар полюсов обмотки статора: 60 f1 , p где п1 – скорость вращения поля (об/мин); f1 – частота тока в обмотке статора; р – число пар полюсов. Вращающееся магнитное поле пересекает стержни «беличьего колеса» и наводит в них ЭДС. Поскольку стержни замкнуты кольцами, ЭДС вызывает в них ток. Взаимодействие вращающегося магнитного поля с током в стержнях создает вращающий электромагнитный момент. Если ротор разогнать до скорости вращающегося поля, то магнитные силовые линии не будут пересекать стержни и ЭДС при этом не наводится. В этом случае не будет создаваться вращающий электромагнитный момент. Иначе говоря, машина работает только тогда, когда n1 n2 , n1 где п1 – скорость вращения поля (об/мин – синхронная скорость); п1 – скорость вращения ротора (об/мин – асинхронная скорость). Вообще асинхронная машина, как и все электрические машины, обратимая, т.е.: если n1 n2 , машина работает в режиме двигателя, если n1 n2 , машина работает в режиме генератора, если n1 n2 , создается искусственный режим идеального нерабочего (холостого) хода. Если поле вращается в одну сторону, а ротор вращается посторонней силой в другую сторону, то машина работает в режиме электромагнитного тормоза. Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля (асинхронность) характеризуется скольжением S, которое определяется по формуле: n n S 1 2. n1 Обычно эта величина определяется в частях единицы или в процентах и колеблется в пределах S = 0,02...0,05. 60 f1 Учитывая, что частота вращения магнитного поля n1 можно p определить частоту вращения двигателя по формуле: 60 f1 n2 1 S . p Меняя число пар полюсов p обмотки статора, можно регулировать частоту вращения магнитного поля, а, следовательно, и частоту вращения асинхронного двигателя. Важной характеристикой асинхронного двигателя служит вращающий момент. Он создается благодаря действию сил, обусловленных взаимодействием магнитных полей статора и ротора. Значение вращающего момента зависит от скольжения (см. рис.). Такая кривая имеет явный максимум при критическом скольжении. Этот максимум делит кривую на области устойчивой и неустойчивой работы. Обычно номинальное значение скольжения Sн = 0,02...0,05, критическое скольжение Sкр = 0,1...0,2. При Sп = 1 – пуск двигателя. Устойчивая работа двигателя возможна лишь при скольжении, которому соответствует возрастание вращающего момента, например, при скольжении SН и вращающем моменте Mн (точка 1). При скольжении же S2 и моменте Mн (точка 2) частота вращения двигателя станет уменьшаться и может дойти до нуля. При пуске асинхронного электродвигателя вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большей скоростью, чем при работе двигателя, так как в момент его пуска ротор неподвижен. Вследствие этого в обмотке ротора индуцируется большая, по сравнению с номинальной, ЭДС, а значит, по обмотке проходит и больший ток. Увеличение силы тока в обмотке ротора вызывает соответствующее увеличение силы тока в обмотке статора (это можно объяснить, опираясь на правило Ленца и закон сохранения энергии). Таким образом, при пуске асинхронного двигателя по обмотке статора проходит ток, в 5–7 раз превышающий номинальный. Поэтому пусковой вращающий момент больше номинального. Номинальный же вращающий момент меньше максимального вращающего момента. Т. о., при пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться. С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу (который в момент пуск имеет максимальное значение и уменьшается при раскрутке вала) и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт). Для каждого асинхронного двигателя в его конструктивном исполнении задается определенное значение номинального момента Mн, а также Mкр и Mп. Эти значения указываются в паспорте двигателя в виде отношения к номинальному моменту: M kкр кр – кратность максимального момента. Mн kп Mп – кратность пускового момента. Mн У асинхронных двигателей значения этих величин равны kкр 1,1...2 и kп 1,1...1,7 . Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите основные части электрической машины и укажите их назначение. 2. Дайте определение обратимости электрических машин. 3. Что называют вращающимся магнитным полем и как его можно получить? 4. Каково устройство асинхронных машин? 5. Дайте определение понятия «скольжение ротора асинхронной машины». 6. В каком режиме работает асинхронная машина при скольжении: 0 S 1; S 0 ; S 1? 7. В каких случаях применяются асинхронные двигатели с фазным ротором? 8. Какими методами можно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора? 9. При каких значениях скольжения возможна устойчивая работа асинхронного двигателя?
