Асинхронные двигатели

Введение

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических  машин, потребляющих в настоящее  время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Асинхронный двигатели широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов  станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства  удовлетворяются главным образом  двигателями основного исполнения единых серий общего назначения, т.е. применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и  т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические  и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий  окружающей среды, предназначенные  для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных  видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного  исполнения серий с максимально  возможным использованием узлов  и деталей этого исполнения.

В некоторых приводах возникают  требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы  специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

 

1. Общие сведения

Асинхронный двигатель трехфазного  тока представляет собой электрическую  машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного  тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

Двигатель имеет две основные части: неподвижную – статор и  вращающуюся – ротор. Статор состоит  из корпуса, представляющего собой  основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна и алюминия. С помощью лап  двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине  производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя  к производственному механизму.

В корпус вмонтирован сердечник  статора, представляющий собой полый  цилиндр, на внутренней поверхности  которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки, находящейся  вне пазов, называется лобовой; она  отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора  действует переменный магнитный  поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник  должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 – 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

Обмотка статора выполняется  в основном из изолированного медного  провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу и хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюда, стекловолокно и различные  эмали. Для изоляции проводов обмотки  от сердечника статора служат электроизоляционный  картон, слюда, асбест, стекловолокно.

Обмотка статора состоит  из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены  между собой звездой или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы – X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В. Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Устройство

2.1 Конструкция статора

Статор Ас.М. представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга.

 Фазные обмотки соединяются  между собой звездой или треугольником  и подключаются к трехфазной  сети. Токи в фазных обмотках  возбуждают в машине вращающееся  магнитное поле статора с числом  пар полюсов p, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/ p.

Для укладки многовитковой  катушечной группы в пазах статора  ее разделяют на q последовательно соединенных секций по w_c витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намотки y. В первом случае стороны каңдой секөии сдвинуты по окруңности статора на угол 180°/ p, что соответствует одному полюсному делению y=τ,т.е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс. Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга, т.е. их шаг намотки τ<y< τ.

Распределение фазных обмоток  по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции  статора, но и обуславливает необходимое  распределение магнитного поля в  воздушном зазоре между статором и ротором.

Сердечник статора изготавливается  с открытыми или полуоткрытыми  пазами, применение полуоткрытых пазов  уменьшает магнитное сопротивление  и, следовательно, намагничивающий  ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность изоляции.

2.2 Конструкция ротора

Ас.М. в основном различаются устройством ротора. Ротор Ас.М. представляет собой цилиндрический сердечник собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный на подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (т.н. «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

 

 

 

 

3. Принцип действия асинхронного двигателя

В обмотке статора, включенной в  сеть трехфазного тока, под действием  напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся  магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит  в них переменную ЭДС, направление  которой определяется по правилу  правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток  того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным  полем возникает сила, действующая  на проводники ротора, направление  которой определяется по правилу  левой руки. Сила создает момент, действующий в сторону.

Под действием момента  ротор приводит в движение и после  разбега вращается в том же направлении, что и магнитное  поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ÷ 0,98)n*₀.

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера – взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

3.1 Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя.

Токи обмоток статора, подключенных к трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора, которое индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или пусковыми реостатами) обмотке ротора. Токи ротора, возникающие под действием ЭДС, возбуждают вращающееся магнитное поле ротора. Частота и направление вращения этих полей одинаковы, что обуславливает результирующее вращающееся магнитное поле, называемое рабочим полем машины.

Рассмотрим характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута. Характеристики этого поля зависят  от геометрического расположения фазных обмоток на статоре машины.

3.2 Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас.М.

Обмотка короткозамкнутого  ротора состоит из N стержней. Между ЭДС, индуктированными вращающимся магнитным полем статора в двух соседних стержнях, сдвиг фаз равен 360°p/N. Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней, m₂=N, а число витков в каждой фазе w₂=1/2.

Аналогично цепь фазного  ротора представляет собой трехфазную систему m₂=3 с числом витков w₂ в каждой фазе. Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к фазе ротора, будут отмечаться индексом 2, а относящиеся к фазе статора — индексом 1.

Примем сначала, что цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней  отсутствует, на ротор не действуют  электромагнитные силы и он неподвижен. В этом случае магнитное поле машины представляет собой только вращающееся магнитное поле статора.

При неподвижном роторе индуктированной  в его обмотке ЭДС равна частоте f токов в цепи статора. Если ротор вращать с частотой n вслед за вращающимся полем статора, то  частота индуктированной в его обмотке ЭДС уменьшится. Эту частоту  f₂ можно определить из выражения    n₁=f·60/p,   в котором вместо частоты вращения поля статора n₁ нужно подставить разность n₁ - n, т.к. вращающееся магнитное поле статора пересекает витки обмотки ротора только вследствие того, что частота его вращения n меньше, чем поля статора n₁:          f₂=p(n₁-n)/60.

Если теперь цепь ротора замкнуть, то токи в ней образуют многофазную систему с m₂=N фазами в случае короткозамкнутого ротора и с m₂=3, т.е. трехфазную в случае фазного ротора. Следовательно, токи в обмотке ротора аналогично токам в обмотке статора должны возбуждать вращающееся магнитное поле. Частоту вращения n_отн этого поля относительно ротора можно определить, пользуясь общим выражением частоты вращения многополюсного поля n₁=f·60/p:     n_отн = f₂·60/p.

Т.к. сам ротор вращается  в том же направлении с частотой n, то его поле вращается в пространстве с частотой n_отн + n = (n₁ – n) + n = n₁,    т.е. поле ротора вращается синхронно с полем статора.

Т.о., вращающиеся поля статора  и ротора по отношению друг к другу  остаются неподвижными, что является характерным условием полной передачи энергии от статора к ротору. Складываясь, вращающиеся магнитные поля статора  и ротора образуют рабочее вращающееся  магнитное поле асинхронного двигателя. Рабочее вращающее поле в ас.дв. Служит таким же связующим звеном между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, передающее энергию от первичной к вторичной обмотке.

4. Режим работы трехфазной асинхронной машины.

Режим работы трехфазной Ас.М. определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает  ротор вращаться по направлению  вращения поля. Но чем быстрее вращается  ротор, тем меньше индуктируемые  в его обмотке ЭДС, а, следовательно, и токи. Если частота вращения поля n₁, а частота вращения ротора n, то режим работы Ас.М. можно характеризовать скольжением

На рисунке 5 построена  линейная характеристика n(s) по (1). В зависимости от значения скольжения s трехфазная Ас.М. может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0< s <1) трехфазная Ас.М. преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (s <0) трехфазная Ас.М. преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (s>1) ротор трехфазной Ас.М. вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия.

5. Механическая характеристика асинхронной машины

Механической  характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора двигателя или скольжения от момента, развиваемого двигателем при установившемся режиме работы: n = f(M) или s = f(M).

Механическая характеристика является одной из важнейших характеристик  двигателя. При выборе двигателя  к производственному механизму  из множества двигателей с различными механическими характеристиками выбирают тот, механическая характеристика которого удовлетворяет требованиям механизма.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя может быть получено на основании формулы М_эм = (3I₂²r₂)/ω₀s и схемы замещения.

С помощью схемы замещения  определяют приведенный ток фазы ротора:

I^'₂ = U_1ф /√(r₁ + r^'₂/s) + (x₁ + x^'₂)²

где

r^'₂/s = r^'₂ + r^'₂(1– s)/s

Полученное значение тока I^'₂ подставляют в уравнение момента, в котором предварительно I₂ и r₂ заменяют через их приведенные значения:

М = (3I₂²r₂)/ω₀s = (3I^'₂²r^'₂)/ω₀s

После подстановки получим

I^'₂ = 3U_1ф² r^'₂ / ω₀s [(r₁ + r^'₂/s) + (x₁ + x^'₂)²]  (1)

Это выражение представляет собой уравнение механической характеристики, поскольку оно связывает момент и скольжение двигателя. Остальные  входящие в уравнение величины: напряжение сети и параметры двигателя –  постоянны и не зависят от s и M. Располагая параметрами двигателя, можно рассчитать и построить его механическую характеристику, которая будет иметь вид:

Однако необходимо отметить, что  после включения двигателя в  нем происходят сложные электромагнитные процессы. В тех случаях, когда  время разбега оказывается соизмеримым  с временем электромагнитных процессов, механическая характеристика двигателя будет существенно отличаться от статической.

Одной из важнейших точек  характеристики, представляющей интерес  при анализе работы и выборе двигателя, является точка, где момент, развиваемый  двигателем, достигает наибольшего  значения. Эта точка имеет координаты n_кр , s_кр , M_max .

Значение критического скольжения s_кр , при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент M_max , легко определить, если взять производную dM/ds выражения (1) и приравнять ее нулю.

После дифференцирования  и последующих преобразований выражение s_кр будет иметь следующий вид:

s_кр = ± r^'₂/√r₁² +  x_к²     (2)

где x_к = x₁ + x^'₂

Подставим s_кр вместо s в уравнение (1), получим выражение максимального момента

 М_max = 3U_1ф²  / 2ω₀s (r₁ ± √r₁² +  x_к²)         (3)

Необходимо отметить, что  из выражений (1) – (3) вытекает следующее.

Момент, развиваемый двигателем, при любом скольжении пропорционален квадрату напряжения. Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения и  не зависит от сопротивления цепи ротора. Критическое скольжение пропорционально  сопротивлению цепи ротора и не зависит  от напряжения сети.

Полученные выражения  удобны для анализа, однако, из-за отсутствия в каталогах параметров r₁ , x₁ , x₂ их использование для расчетов и построений характеристик затруднено.

В практике обычно пользуются уравнением механической характеристики, с помощью которой можно произвести необходимые расчеты и построения, используя только каталожные данные.

Активное сопротивление  обмотки статора r₁ значительно меньше остальных сопротивлений статора и ротора, и им обычно пренебрегают. Тогда выражения (1) – (3) будут иметь вид

 М = 3U_1ф²r^'₂ /ω₀s [( r^'₂ /s)² + x_к²]  (4)

s_кр = ± r^'₂/ x_к          (5)

 М_max = 3U_1ф² /2ω₀ x_к         (6)

Упрощенное уравнение  механической характеристики получается из совместного решения уравнений (4) – (6)

M = 2M_max/(s/s_кр  + s_кр /s)         (7)

Значение M_max определяется из соотношения M_max /M_ном = λ, указанного в каталогах, а s_кр – из уравнения (7), если решить его относительно s_кр и вместо текущих значений s и M подставить их номинальные значения, которые легко определить по паспортным данным:

s_кр = s_ном(λ ± √λ² – 1)      (8)

где s_ном = (n₀ – n_ном )/n₀ ; λ = M_max /M_ном .

Следует отметить, что в  зоне от М = 0 до М ≈ 0,9М_max механическая характеристика близка к прямой линии. Поэтому, например, при расчетах пусковых и регулировочных резисторов эту часть механической характеристики принимают за прямую линию, проходящую через точки M = 0, n = 0 и M_ном, n_ном. Уравнение механической характеристики в этой части будет иметь вид

M = s M_ном / s_ном

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Пуск а.д. с короткозамкнутым ротором

 

Такой пуск исключительно  просто и быстр. Необходим лишь простой  коммутирующий аппарат, например рубильник, или для двигателя высокого напряжения — масляный включатель.  При прямом пуске двигателя кратность пускового  тока высока, примерно 5,5-7. Такой кратковременный  пуск относительно безопасен.

Пусковые характеристики Ас.Дв. могут быть существенно улучшены, если обмотка ротора имеет двойную беличью клетку. Такой ротор снабжен двумя клетками, лежащими одна на другой: наружной — пусковой и внутренней — рабочей. Стержни клеток размещены соответственно в наружной и внутренней частях паза. Такое расположение клеток приводит к значительному различию их индуктивностей рассеивания. У внутренней клетки индуктивность рассеивания велика, т.к. стержни этой клетки окружены сталью, прорезанной лишь сверху узкой щелью паза, а у наружной клетки она значительно меньше, т.к. значительная часть пути линий поля рассеяния вокруг стержней проходит в воздушном промежутке между ротором и статором с большим магнитным сопротивлением и по щели паза под стержнями.

В первый момент пуска двигателя  частота токов в обмотке ротора равна частоте сети. Т.о., при пуске  двигателя ток в роторе вытесняется  из внутренней беличьей клетки. В тоже время полное сопротивление наружной клетки определяется преимущественно  ее активным сопротивлением.

По мере разбега ротора частота токов в нем уменьшается  и вместе с тем уменьшается  влияние индуктивного сопротивления  на распределение токов.

Ток наружной клетки будет  меньше тока внутренней клетки, активное и полное сопротивления которой  в таких условиях малы, как у  обычного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Упрощенным вариантом  ас.дв. с двойной беличьей клеткой является двигатель с глубоким пазом.

Двигатель с глубоким пазом  ротора в конструктивном отношении  проще двигателя с двойной  клеткой. Зато второй может быть выполнен на различные начальные моменты  и на различные кратности пускового  тока, что дает возможность конструировать такой двигатель для специальных  случаев тяжелого пуска в ход.

 

 

7. Методы регулирования частоты вращения Ас.Д.

7.1 Частотное регулирование

 

Наиболее перспективным  методом управления частотой вращения ас.дв. является регулирование частоты переменного тока в обмотках статора двигателя. Угловая скорость вращающего поля w_П =2p f / р , т.е. изменяется пропорционально изменению частоты тока f. Однако при регулировании частоты тока необходимо одновременное регулирование напряжения. Т.К. поток должен сохраняться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть пропорциональным частоте.

При оценке характера зависимости  вращающегося момента от частоты  тока в обмотках статора и от напряжения не будем учитывать в уравнении  активное сопротивление обмотки  статора r_в1 и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора x_pac1 и ротора x_pac2. Тогда вращающим момент: где A=const

Следовательно, при изменении  частоты тока для поддержания  вращающего момента постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на обмотках статора, т.е. нужно выполнить условие U/f=const.

7.2 Регулирование изменением числа пар полюсов.

 

При постоянной частоте сети угловая скорость вращающегося поля зависит только от числа пар полюсов, задаваемого обмоткой статора. Если на статоре поместить две отдельные  обмотки — одну, образующие р пар, а другую, образующую р^\ ар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, получим частоту вращения поля:

n₁ = 60 f / p  или        n^\₁ = 60 f / p^|

следовательно,  n₁ / n^\₁ = p / p,^|   т.е. соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

 

8. Энергетические показатели асинхронного двигателя

Важным в энергетическом отношении  характеристиками двигателя являются зависимость КПД η и коэффициента мощности cos φ от нагрузки на его валу. КПД двигателя равен отношению мощности, отдаваемой двигателем с вала, P_B к мощности , потребляемой двигателем из сети, Р₁:

η = Р_В/Р₁ = Р_В/(Р_В + ΔР)

где ΔР – потери мощности в двигателе.

ΔР = ΔР_обм1 + ΔР_обм2 + ΔР_ст1 + ΔР_ст2 + ΔР_мех

Потери мощности в двигателе  можно разделить на две части: часть

ΔР_К = ΔР_ст1 + ΔР_ст2 + ΔР_мех

почти не зависти от нагрузки и  называется постоянными потерями, другая часть

ΔР_v = ΔР_обм1 + ΔР_обм2

зависит от нагрузки и называется переменными потерями.

Коэффициент мощности двигателя равен  отношению активной мощности, потребляемой двигателем из сите, к полной мощности:

                                                                       ________

cosφ = P₁ /S₁ = P₁ /√P₁² + Q₁²    (9)

Реактивная мощность Q складывается из мощности Q_Г, обусловленной главным магнитным потоком, и мощности Q_р, обусловленной потоками рассеяния:

Q_Г = I₀² x₀, Q_Р = I₁² x₁ + I₁² x₁

где x₀ – индуктивное сопротивление, обусловленное главным магнитным потоком; x₁, x₂ – индуктивные сопротивления, обусловленные потоками рассеяния обмоток статора и ротора.

Поскольку главный магнитный поток  намного больше потоков рассеяния  и почти не зависит от нагрузки, реактивная мощность, потребляемая двигателем из сети, мало зависит от нагрузки и, как следует из выражения (9), cosφ    существенно изменяется при изменении нагрузки на валу двигателя.

Из графика видно, что  при малых нагрузках cosφ довольно низкий, что является в энергетическом отношении весьма невыгодным

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Дмитриев В.Н. Проектирование и исследование асинхронных двигателей малой мощности: Учебное пособие. – Ульяновск, 1996. – 88 с.: ил.
2. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 624 с.: ил.
3. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк.; Логос; 2000. – 607 с.
4. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Л.: Энергия, 1974.
5. Дмитриев В.Н., Кислицын А.Л. Испытание электрических машин: Учебное пособие. – Ульяновск, 1998. – 100 с.