Асинхронный двигатель. Асинхронный двигатель (АД)

Асинхронный двигатель (АД). Принцип действия его основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и индуцированного тока ротора.

АД выпускается в двух вариантах исполнения ротора: короткозамкнутый и фазный.

Рассмотрим устройство и принцип действия двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электро­технической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

A) б)

1 - статор; 2 - ротор; 3 - вал; 4 - витки обмотки статора;

5 - витки обмотки ротора

Рис.52 Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а);

обмотка ротора(б)

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рис.52,б). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.

Рассмотрим процесс. Пусть магнитное поле вращается «по часовой стрелке», тогда в стержнях цилиндра ротора будет наводится ЭДС

,

Где В – индукция в зазоре, L – длина стержня, υ– линейная скорость стержня, равная (ω_{вр.стат} – ω_рот)D/2.

Эта ЭДС вызовет в стержне ток

,

Где R_с – активное сопротивление стержня; х_с - реактивное сопротивление стержня.

Этот ток, взаимодействуя с полем статора, по закону Ампера образует силу,

действующую на стержень

.

Сила образует на валу ротора момент стержня М_с = F_c D/2. Сумма всех

моментов стержней образует суммарный момент на валу.

М_вр = Σ М_с

Однако, чем ближе скорость ротора n_p к скорости вращающегося магнитного поля n_с, тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе, а, следовательно, токи в роторе и момент. Если скорости вращения сравняются, то момент исчезнет, поэтому основным условием работы является отставание частоты вращения ротора от частоты вращения поля статора (асинхронный)

Убывание токов уменьшает вращающий момент Мвр , воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее вращающегося магнитного поля - асинхронно.

При увеличении механической нагрузки асинхронного двигателя тормозящий момент на валу становится больше вращающегося и скольжение S возрастает.

Увеличение скольжения вызывает возрастание ЭДС и токов в обмотке ротора, благодаря чему увеличивается вращающий момент М_вр и восстанавливается динамическое равновесие вращающего Мвр и тормозящего М_т моментов:

М_вр=М_т.

Таким образом, увеличение нагрузки асинхронного двигателя вызывает увеличение его скольжения.

У современных асинхронных двигателей скольжение даже при пол­ной нагрузке невелико - около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015-0,02 (полтора-два процента) у крупных двигателей.

Характерная кривая зависимости М от скольжения S показана на рис.53,а.

Максимум вращающегося момента разделяет кривую М = f(S) на устойчивую часть от 0 до S_k и неустойчивую часть от S_k до S = 1.

На участке от 0 до S_k при уменьшении тормозящего момента М_т на валу асинхронного двигателя увеличивается скорость вращения, скольжение уменьшается и уменьшается электромагнитный момент, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

На участке от S_k до S = 1 с уменьшением М_т скорость вращения уменьшается, скольжение увеличивается и вращающий момент увеличивается, нарушается условие равенства моментов и двигатель останавливается.

Для практики большое значение имеет зависимость скорости двигателя n_p от нагрузки на валу n_p = F(M). Эта зависимость, как мы установили ранее, носит название механической характеристики (рис.53,б).

A) б)

Рис. 53 - Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя от скольжения (а) и механическая характеристика (б)

Если при изменении момента скорость вращения мало изменяется, то такая хорактеристика считается жесткой. Такую характеристику желательно иметь для главного привода металлорежущего станка. При перегрузке свыше максимального момента М_max двигатель входит в область неустойчивого режима и останавливается. Отношение М_max/M_ном носит название перегрузочной способности, и у двигателей нормальной серии находится в пределах (1,8-2,6) М_ном.

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам: простоте устройства; высокой надежности в эксплуатации; низкой стоимости.

С помощью асинхронных двигателей приводятся в движение подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы. Особенно много асинхронных двигателей на станках, там они выполняют различные функции: зажима планшайбы, перемещение люнета, зажим резца и многое др.

КПД АД. Работу АД можно пояснит следующей энергетической диаграммой (рис. 54).

Рис.54

Таким образом, двигатель получает из сети Р_ст. На статоре теряется энергия на нагрев проводов (Р_{пр. ст.}) и в стали, за счет вихревых токов и перемагничивания (Р_ст). На ротор переходит так называемая электромагнитная мощность (Р_эл). На роторе она теряется на нагрев проводов (Р_пр) и другие потери: на трение, на вентиляцию, зубцовые и пр. (Р_доп). Отношение (Р_в/Р_ст) = η и есть КПД. Для двигателей свыше одного кВт он находится в пределах (75-95)%.

Пуск асинхронного двигателя. Заметим, что асинхронный двигатель в момент запуска представляет собой трансформатор с большим воздушным зазором (2-3 мм). Поэтому ток статора зависит и определяется током ротора. Уменьшение тока ротора автоматически ведет к уменьшению тока статора. Так как в номинальном режиме частота тока в роторе мала, то отсутствует реактивное сопротивление ротора, и ток ротора определяется только активным сопротивлением. В режиме же пуска, пока ротор не развернулся, частота тока 50 Гц и ток определяется активной и реактивной составляющими сопротивления (реактивное по величине больше).

Поэтому пусковой ток только в 5-7раз превышает номинальный и АС двигатели чаще всего запускаются напрямую из сети, не используя специальные пусковые устройства.

Реверс асинхронного двигателя осуществляется изменением направления вращения поля статора. В свою очередь, для изменения вращения поля, нужно изменить чередование фаз. Это достигается перекрещиванием двух фаз как показано на рис. 55,б. На рис. 55,а показано обозначение асинхронного трехфазного короткозамкнутого двигателя.

А б

Рис.55 Рис.56

Торможение АД. Часто бывает необходимо быстро остановить двигатель или затормозить. АД допускают три вида торможения. Все механические характеристики в этом случае расположены во втором квадранте, так как момент торможения отрицательный.

Динамическое торможение осуществляется отключением цепи статора от переменного тока и включением двух фаз на постоянный ток. Стационарное поле образует отрицательный момент, и двигатель останавливается согласно характеристике 3, рис. 56.

Торможение противовключением осуществляется реверсом поля, то есть на полном ходу осуществляют перекрещивание фаз и двигатель резко затормаживает, характеристика 2, рис.56. Однако, если его не отключить при достижении им нулевой скорости, то он обязательно развернется в обратную. Кроме того, при реверсе поля ЭДС имеет обратный знак, и согласно уравнению (*) ток превысит даже пусковой в несколько раз. Поэтому при таком торможении ограничивают ток включением сопротивления в фазы статора.

Рекуперативное (генераторное) торможение возникает самопроизвольно, если ротор начинает вращаться со скоростью, которая превышает синхронную скорость вращения поля статора ( характеристика 1, рис.56). Такое положение возникает при спуске груза на подъемном кране или на электровозе при спуске с горки. Режим экономичный, так как двигатель переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть.

Регулирование частоты вращения вала. Одно из основных требований, предъявляемых к электрическому двигателю привода какого либо механизма, – это изменение частоты вращения вала. Изменять скорость вращения можно механически с помощью коробки передач. Однако, если такие возможности есть у электрического двигателя, то отпадает коробка передач, что значительным образом упрощает конструкцию агрегата.

Если исходить из того, что частота вращения вала определяется

, то следует три способа.

Регулирование частоты вращения числом пар полюсов. Промышленность специально выпускает двигатели с двумя, тремя и четырьмя парами полюсов. Что дает возможность ступенчато получить фиксированные соответственно две, или три, или четыре скорости. Семейство механических характеристик на рис.57,а.

	р=1 р=2 р=3 р=4

ω ω ω

M М М

A б в г

Рис. 57

Существует понятие «диапазон регулирования» отношение максимальной скорости к возможной минимальной, записывается 5:1, 8:1 и т.д., так предыдущий тип регулирования дает диапазон: 2:1, 3:1, 4:1.

Регулирование скольжением. Это возможно для двигателей с фазным ротором. У него ротор состоит из секций соединенных в звезду, концы обмотки крепятся к трем контактным кольцам, которые через щетки могут соединяться с внешней цепью. Эти щетки либо закорочены, тогда это обычный короткозамкнутый двигатель, либо к ним что-нибудь присоединяется (рис. 57,б). Если присоединить сопротивления и величину их регулировать, то возникает семейство механических характеристик рис. 57,в. Характеристики получаются мягкие и для станков негодные,а для подъемно транспортных машин вполне хорошие, поэтому такое регулирование скорости вращения применяется на кранах. Диапазон регулирования 4:1.

Регулирование частоты входного напряжения. Если менять частоту входного напряжения специальным устройством, то будет изменяться ω₀ в формуле (2) и семейство механических характеристик представлено на рис. 57,г. Так, как с нарастанием частоты увеличивается реактивное сопротивление, то без специальных мер изменяющих величину входного напряжения диапазон регулирования 2:1. Если же регулирование будет комплексное, то есть частота и величина напряжения, то диапазон регулирования возрастает до 10:1.

Контрольные вопросы к теме

1. Каковы виды, конструкция, номинальные данные трансформаторов?

2. Каков принцип действия, как осуществляется саморегулирование трансформатора.

3. Режимы холостого хода и короткого замыкания, опыты холостого хода и короткого замыкания. Что в результате этих опытов получают?

4. Какие существуют потери энергии в трансформаторе, и каков его КПД?

5. Каков принцип действия и векторная диаграмма работы синхронного генератора.

6. Вращающееся магнитное поле, принцип действия синхронного двигателя, Механическая и угловая характеристики

7. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя, саморегулирование.

8. Основные соотношения асинхронного двигателя, механическая характеристика, энергетическая диаграмма, пуск реверс, торможение, регулирование скорости.