Материал: Лекция 9

Тема 7 асинхронные двигатели

В теме 7 рассмотрено: назначение, устройство и принцип действия асинхронных двигателей (АД), схемы замещения фаз статора и ротора двигателей, их механиче­ские и рабочие характеристики. Изложены способы пуска в ход и регу­лирования ча­стоты вращения АД.

Установочная лекция 9 (2 ч)

Дидактические единицы:

7.1. Назначение, устройство и принцип действия АД.

7.2. Скольжение и частота вращения ротора АД.

7.3. Схема замещения АД и ее векторная диаграмма.

7.4. Электромагнитный момент, механическая и рабочие характеристики АД.

7.5. Пуск в ход и регулирование частоты вращения АД.

Содержание

7.1. Назначение, устройство и принцип действия ад

Асинхронные электрические двигатели ¾ это машины переменного тока, у которых частота вращающегося магнитного поля статора и частота вращения ротора не совпадают.

Асинхронные двигатели (АД) преобразуют электрическую энергию в механическую и являются потребителями электрической энергии (рис. 7.1а). Первый асинхронный дви­гатель был сконструирован в 1889 г. русским инженером  М. О. Доливо-Добровольским.

Асинхронные трёхфазные двигатели ¾ самые распространённые из всех видов эле­ктрических машин. Это объясняется тем, что они просты по конструкции, дёшевы, надежны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых приспособлений.

Наряду с преимуществами АД имеют ряд недостатков, основными из которых являются: низкий коэффициент мощности (соsφ₀) при неполной нагрузке (при ХХ соsφ₀ = 0,2-0,3), большой пусковой ток, низкий КПД при малых нагрузках, относительная сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных харак­теристик и, в первую очередь, механических характеристик.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым (КЗ) (серии АК, рис. 7.1б) и с фазным (серии АО, рис. 7.1в) роторами разрабатывались и выпускались в нашей стране в виде единых серий: А, АО (1949-1951 годы), А2, АО2 мощностью 0,6-100 кВт (1958-1960 годы), А, АК (100-1000 кВт, 1952-1956 годы), А2, АК2 (100-1000 кВт, 1964-1965 годы), А3, АО3 (132-500 кВт), 4А и АИ (АИР) (0,06-400 кВт до настоящего времени).

В последние годы в России освоен выпуск новых серий асинхронных двигателей: RА (0,37...100 кВт), 5А (0,37...400 кВт) и 6А. Выпускаются также АД большой мощности с КЗ рото­ром серий АТД4, А4, ДА и др. (500...8000 кВт) на напряжения 6 кВ и 10 кВ и синхронные частоты n₁ вращения 1500, 750, 600 и 500 об/мин, и с фазным ротором серий АОК2, АОК (200...500 кВт), АКСБ (600...1000 кВт), ВАК3 (1600 и 3400 кВт, n₁ = 1000 об/мин) на напряжение 6 кВ, и микродвигатели серий АИР, УАД, 5АЕУ и др. мощностью до 600 Вт.

7.1.1. Устройство АД. Основными частями АД являются статор (неподвижная часть машины) и ротор (подвижная часть), отделённые друг от друга воздушным зазором (0,3-0,5 мм и до 1,5-2 мм у высоковольтных машин большой мощности). Их сердечники собраны из листов электротехнической стали. На внутренней части поверхности статора и на внешней ротора выштампованы пазы, в которые уложены обмотки. Сердечник статора помещен в корпус, который является внешней частью двигателя. Сердечник ротора укреплён не­по­средственно на валу двигателя или на ступице, надетой на вал. Обмотка статора обычно выполняется трёхфазной, состоящей из трёх самостоятельных катушек, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на 120° (рис. 7.2). Обмотка статора обычно выполняется трёхфазной, состоящей из трёх самостоятельных катушек, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на 120° (рис. 7.2).

В двигателях низкого напряжения (до 1000 В) концы каждой фазы обмотки статора присоединены к клеммам, которые рас­положены на щитке, ук­реплённом на корпусе двигателя, и обозначены соответственно: С₁−С₄ (фаза А), С₂−С₅ (фаза В) и С₃−С₆ (фаза С) (рис. 7.3). Это даёт возможность в зависимости от величины напряжения сети (например, 380 или  220 В) соединять обмотку статора звездой (рис. 7.3а) или треугольником (рис. 7.3б) для того, чтобы в обоих случаях фазное напряжение обмотки было номинальным (в данном примере равным 220 В).

7.1.2. Вращающееся магнитное поле (в. м. п.) статора. При подключении двигателя к трехфазной сети в обмотках статора протекают токи i_a, i_b и i_c (рис. 7.4а). МДС каждой обмотки создаёт магнитный поток, вектор  которого совпадает с осью соответствующей катушки. Если ток i_a = I_m, то ток i_b = i_c = I_m/2 (при t = t₁, рис. 7.4а).

При этом вектор результирующего магнитного потока Ф_mp = Ф_ma + Ф_mb + Ф_mc совпадает с осью катушки С₁ − С₄ (фаза А) (рис. 7.4б). В моменты времени t = t₂ и t = t₃ (см. рис. 7.4a) результирующий вектор Ф_mp будет совпадать с осями катушек соответственно С₂ − С₅ (фаза В) и С₃ − С₆ (фаза С) (рис. 7.4в). Очевидно, что за один период Т изменения напряжения сети (см. рис. 7.4а) вектор Ф_mp результирующего магнитного поля сделает один оборот.

Таким образом, МДС трёх обмоток статора, расположенных в пространстве под углом 120° друг к другу, при подключении их к трёхфазной сети синусоидального тока создают в. м. п., аналогичное по форме магнитному полю вращающегося двухполюсного магнита (с одной парой р полюсов) с подобным распределением магнитной индукции на полюсах.

В общем случае частота вращения n₁ в. м. п. (называемая синхронной частотой вра­щения в. м. п. статора) зависит от частоты напряжения сети f₁ и числа пар р полюсов, определяемого числом катушек статора, т.е.

7.1.4. Принцип действия ад основан на взаимодействии в. М. П. Статора с токами, индуктируемыми вращающимся полем статора в проводниках ротора.

Согласно закону электромагнитной индукции в. м. п. индуктирует ЭДС E₁ и E₂ в обмотках статора и ротора, а так как обмотки ротора замкнуты, то в них протекают токи I₂, значения которых зависят от нагрузки.

Согласно закону Ампера в результате взаимодействия в. м. п. статора с токами I₂ ро­торных обмоток на валу АД возникает вращающий электромагнитный момент

где F = NBl I – механическая сила в ньютонах (Н), направление которой  определяют по из­вестному правилу левой руки; B – маг­ни­т­ная индукция, Тл; l – длина активного проводника ротора, пересекаемого маг­нитными си­ло­выми линиями, м; N – число проводников ротора; I – ток в проводнике длиной l, А; d – диаметр ротора, м.

Так же, как в трансформаторе, имеет место воздействие тока I₂ ротора и его МДС w₂I₂ на ток I₁ статора и на результирующий магнитный поток Ф_mp. Если вращающий момент М больше момента сопротивления М_с на валу (M > М_с), то ротор начинает вращаться в на­правлении вращения в. м. п. Однако частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля статора. Если бы частота вращения ротора n₂ была бы равна частоте n₁, т.е.  n₂ = n₁, то стержни обмотки ротора не пересекали бы магнитные силовые линии в. м. п., в них не индуктировалась бы ЭДС Е₂, не было бы тока I₂ и вращающего моме­н­та М.

Таким образом, в АД n₂ < n₁, поэтому такие машины называют асинхронными.

7.2. Скольжение и частота вращения ад

Степень отставания частоты вращения ротора n₂ от частоты вращения магнитного поля n₁ статора оценивается скольжением S, равным

Диапазон изменения скольжения в АД: 1 ≥ S ≥ 0. При пуске n₂ = 0, S = 1; при холостом ходе S = 0,001-0,005; при номинальной нагрузке S = 0,03-0,07.

Частота вращения ротора выражается через скольжение, т.е.

Отсюда следует, что регулировать частоту вращения ротора n₂ можно изменением частоты ƒ₁, числа пар полюсов p и скольжением S.

Так как число пар полюсов р натурального ряда (р = 1, 2, 3, 4 и т.д.), то при f₁ = 50 Гц возможны следующие значения n₁: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д., т.е. для двухполюсной машины (при трёх статорных катушках р = 1) n₁ = 60f₁ = 3000 об/мин; для четырёхполюсной машины (при шести статорных катушках р = 2) n₁ = 60f₁/р = 60×50/2 = 1500 об/мин и т.д.

7 .1.3. Устройство обмоток роторов АД. Обмотка ротора может быть выполнена ко­рот­козамкнутой (КЗ) или фазной. КЗ обмотка ротора (рис. 7.5а) выполня­ется в виде беличьей клетки, состоящей из алюминиевых или медных (латунных) стержней и замыкающих их на торцах колец (рис. 7.5б). У АД с фаз­ным ротором (рис. 7.5в) одни концы обмоток 2 ротора соединяют­ся с кон­­тактными коль­цами 3, распо­ло­женными на валу двигателя, а дру­гие соединены в общую точку (рис. 7.5г). Контактные латунные кольца 3 соединяются с клеммами пусково­го реостата 5 с помощью угольных или медногра­фитовых щёток 4 и щёт­кодержа­те­лей.

Фазные ЭДС, которые индуктируются в обмотках статора,

где k₀₁ ≈ 0.93-0.97 – обмоточный коэффициент катушки статора.

Фазные ЭДС вращающегося ротора

где k02 ≈ 0.93-0.97 – обмоточный коэффициент роторной обмотки.

Относительная частота (частота пересечения в. м. п. статора вращающегося ротора) n₁ – n₂ = n_1S, где n₁ = 60f₁/p и f₁ = n₁p/60 – частота ЭДС статорной обмотки. Тогда частота ЭДС роторной обмотки

Диапазон изменения частоты в роторе АД f₂ ≈ (0–1)f₁; номинальная частота ЭДС и тока роторной обмотки

f_2н ≈ (0,01-0,07)f₁ = 0,5-3,5 Гц.

Таким образом, частота ЭДС в обмотке ротора прямо пропорциональна скольжению и равна частоте ЭДС статора только при неподвижном роторе.

7.3. Полна схема замещения фазы ад и ее векторная диаграмма

7 .3.1. Схемы замещения фазы статора и фазы ротора АД. Для анализа работы АД часто пользуются схемой замещения двигателя, аналогичной схеме замещения трансформатора. При её построении необходимо учесть ряд особенностей, прежде всего то обсто­ятельство, что частота ЭДС и тока ротора не равна частоте ЭДС и тока статора.

Сопротивления обмоток статора и ротора содержат как активную, так и реактивную составляющие. Комплекс полного сопротивления фазы статора (рис. 7.6а)

Комплекс полного сопротивления фазы вращающегося ротора

Т ак как угловая частота ω₂ = ω₁S (ƒ₂ = ƒ₁S), то индуктивное сопротивление фазы ротора переменное (рис. 7.6б), зависящее от частоты ƒ₂, т.е.

X_2S = ω₂L₂ = ω₁L₂S = X₂S,

где X₂ = ω₁L₂ = X_2S/S – индуктивное сопротивление заторможенного ротора; X_2S = X₂S – индуктивное сопротивление вращающегося ротора.

Запишем уравнения электрического состояния (равновесия) для обмотки статора и обмотки ротора (рис. 7.6а и рис. 7.6в):