Электрические машины. 5

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля , создаваемого током обмотки статора. 
В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. В России асинхронными машинами стали называть машины, которые являются индукционными. 
Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:

1. Лёгкость в изготовлении.
2. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

1. Небольшой пусковой момент.
2. Значительный пусковой ток.

История

Индукционный  мотор был впервые реализован Галилео Феррарисом в 1885 г. в Италии. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье в Королевскую Академию Наук в Турине (позже, в том же году, Тесла получил U.S. Patent 381,968, в котором он опубликовал теоретические основы для понимания каким путём действует мотор). Индукционный мотор с короткозамкнутым ротором был предложен Доливо-Добровольским примерно годом позже^[1].

Конструкция

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора  представляет собой трёхфазную (в  общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции  ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Ротор асинхронной  машины типа «беличья клетка»

Короткозамкнутая  обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или  алюминиевых стержней, замкнутых  накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами. Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (при пуске).

Асинхронные двигатели  с короткозамкнутым ротором имеют  небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда магнитопровод "ротора" остается неподвижным, а вращается в магнитном зазоре только полый цилиндр из алюминия (беличья клетка или короткозамкнутая обмотка ротора) можно достичь малой инерционности двигателя.

Фазный ротор

Фазный ротор  имеет трехфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора:

• включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.
• включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора. Сопротивление дросселей зависит от частоты протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости - "подхватить" двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.
• включают источник постоянного тока, получая таким образом синхронную машину.
• включают питание от инвертора, что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора, с фазировкой, противоположной той, которой запитан статор.

Двигатель Шраге-Рихтера

Трёхфазный  коллекторный асинхронный  двигатель с питанием со стороны ротора.

Обращенный (питание  с ротора) асинхронный двигатель, позволяющий плавно регулировать скорость от минимальной (диапазон определяется обмоточными данными добавочной обмотки, используемой для получения добавочной э.д.с., вводимой с частотой скольжения во вторичную цепь машины) до максимальной, лежащей обычно выше скорости синхронизма. Физически производится изменением раствора двойного комплекта щеток на каждую "Фазу" вторичной цепи двигателя. Таким образом, переставляя при помощи механического устройства (штурвал или иное исполнительное устройство)щеточные траверсы являлось возможным весьма экономично управлять скоростью асинхронного двигателя переменного тока. Идея управления в общем предельно проста и будет реализована впоследствии в так называемых асинхронно-вентильных каскадах, где в цепь фазного ротора включали тиристорный преобразователь, работавший инвертором или в выпрямительном режиме. Сущность идеи - во вторичную цепь асинхронного двигателя вводится добавочная э.д.с. изменяемой амплитуды и фазы с частотой скольжения. Задачу согласования частоты добавочной э.д.с с частотой скольжения роторы выполняет коллектор. Если добавочная э.д.с. противонаправлена основной, производится вывод мощности из вторичной цепи двигателя с соответствующим уменьшением скорости машины, ограничение скорости вниз диктуется только условиями охлаждения обмоток). В точке синхронизма машины частота добавочной э.д.с. равна нулю, то есть во вторичную цепь коллектором подается постоянный ток. В случае суммирования добавочной э.д.с. с основной производится инвертирование добавочной мощности во вторичную цепь машины, и соответственно - разгон выше синхронной частоты вращения. Таким образом, результатом регулирования являлось семейство достаточно жестких характеристик с уменьшением критического момента при снижении скорости, а при разгоне выше синхронной скорости - с его пропорциональным увеличением.

Определенный  интерес представляет собой работа машины с несимметричным раствором щеточных траверс. В этом случае векторная диаграмма добавочной э.д.с. двигателя получает так называемую тангенциальную составляющую, делающую возможным работу с емкостной реакцией на сеть.

Конструкционно двигатель представляет собой обращенную машину с где на роторе уложены две обмотки: питание с питанием с контактных колец и обмотку, соединяемую посредством двух пар щеток на "фазу" со вторичной обмоткой статора. Фактически, эти две части вторичной обмотки в зависимости от положения щеточных траверс включается то согласно друг другу, то встречно. Так осуществляется регулирование.

Наибольшее развитие такие двигатели получили в 30-е  годы XX века. В Советском Союзе с его низкой производственной культурой электротехнической промышленности коллекторные машины переменного тока (к.м.п.т.) не получили сколько-нибудь заметного распространения и развития в силу повышенных требований к изготовлению коллекторно-щеточного узла и общей высокой стоимости. На территорию СССР они проникали в основном в составе приобретенного за границей оборудования и при первой возможности заменялись менее эффективными, но более дешевыми машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором. Существующие методики расчета к.м.п.т. разработанные академиком М.П.Костенко (в его учебниках асинхронные машины делятся на коллекторные и бесколлекторные) считают достаточным критерием работоспособности машины проверкой ее по условияем коммутации (для сравнения - для двигателя постоянного тока критическим является тепловой расчет).

В настоящее  время двигатель Шраге представляет интерес исключительно как великолепное наглядное пособие для студентов. По словам преподавателя кафедры электропривода Липецкого Технического университета Л.Я. Теличко "лучшей модели, где теорию и практику каскада можно потрогать руками найти невозможно".

Принцип действия

На обмотку  статора подается напряжение, под  действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону магнитной индукции наводит в них ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая, складываясь по окружности, создает вращающийся электромагнитный момент ротора.

Скорость вращения поля статора

При питании  обмотки статора трёхфазным (в  общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц] соотношением:

,

где  — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

В зависимости  от количества числа пар полюсов могут быть следующие значения частот вращения магнитного поля статора, при частоте питающего напряжения 50 Гц:

Большинство двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. Большее  число полюсов используется очень редко, такие машины имеют низкий КПД и коэффициент мощности.

Режимы работы

Механическая  характеристика асинхронной машины: а — режим рекуперации энергии  в сеть (генераторный режим), б —  двигательный режим, в — режим  противовключения (режим электромагнитного  тормоза).

Двигательный режим

Если ротор  неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках, вентиляцией и т.д. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:

.

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

.

Очевидно, что  при двигательном режиме .

Генераторный режим

Если ротор  разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение .

Для работы АД в  генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий поток  возбуждения. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Асинхронный генератор  потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательный источник небольшой мощности и как тормозное устройство (например, двигатель лифта или эскалатора метрополитена, идущего вниз, работает в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть).

Режим холостого хода

в этом режиме происходит испытание эл. машины, когда на валу отсутствует редуктор и исполнительный орган. В этом режиме могут быть исследованы потери передачи энергии статора к ротору и на этом этапе улучшаются конструктивные особенности отдельных узлов, т.к. n2 = n1, следовательно S=0. При номинальной нагрузке S=0.01 - 0.08

Режим электромагнитного тормоза (противовключение)

Если изменить направление вращения ротора или  магнитного поля так, чтобы они вращались  в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Для режима справедливы неравенства:

.

Этот режим  применяют кратковременно, так как  при нём выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением  асинхронным двигателем переменного  тока понимается изменение частоты  вращения ротора и/или его момента. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

• реостатный - изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент;
• частотный - изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;
• переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;
• импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);
• изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для к.з. роторов);
• изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);
• фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления; ^[2]
• амплитудно-фазовый способ включает в себя два описаных способа;
• включение в цепь питания статора реакторов;
• индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором

Синхронные  машины 
 
 

Синхронными называются электрические  машины, частота вращения которых связана  постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях, а синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения. Синхронные машины обратимы, т.е., могут работать и как генераторы и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует на неё вращающая или тормозящая механическая сила. В первом случае она получает на валу механическую, а отдаёт в сеть электрическую энергию, а во втором случае она получает из сети электрическую, а отдаёт на валу механическую.

Синхронная машина имеет две основных части: ротор  и статор, причём статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щётки от внешнего источника. В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля наводится ЭДС, которая подаётся на внешнюю цепь генератора. Основной магнитный поток синхронного генератора, создаваемый вращающимся ротором, возбуждается посторонним источником – возбудителем, которым обычно является генератор постоянного тока небольшой мощности, который установлен на общем валу с синхронным генератором. Постоянный ток от возбудителя подаётся на ротор через щётки и контактные кольца, установленные на валу ротора. Число пар полюсов ротора обусловлено скоростью его вращения. У многополюсной синхронной машины ротор имеет p пар полюсов, а токи в обмотке статора образуют также p пар полюсов вращающегося магнитного поля (как у асинхронной машины). Ротор должен вращаться с частотой вращения поля, следовательно, его скорость равна:

n = 60f / p  (9.1)

При   f = 50Hz и  p = 1   n = 3000 об/мин.

С такой частотой вращаются современные турбогенераторы, состоящие из паровой турбины  и синхронного генератора большой  мощности с ротором, который имеет  одну пару полюсов.

У гидрогенераторов первичным двигателем служит гидравлическая турбина, скорость которой от 50 до 750 оборотов в минуту. В этом случае используются синхронные генераторы с явнополюсным ротором, имеющим от 4 до 60 пар полюсов.

Частота вращения дизельгенераторов, соединённых с  первичным двигателем – дизелем, находится в пределах от 500 до 1500 об/мин.

В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.9.2).

Рис.9.2.

Цепь возбуждения  образуют трансформаторы тока ТТ, включённые в цепь нагрузки генератора, полупроводниковый  выпрямитель, собранный по схеме трёхфазного моста, и обмотка возбуждения ОВ с регулировочным реостатом  R.

Самовозбуждение генератора происходит следующим образом. В момент пуска генератора, благодаря  остаточной индукции в магнитной  системе, появляются слабые ЭДС и  токи в рабочей обмотке генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора возрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью не возбудится.