Q Принцип дії асинхронної машини

План

Лекція 11. Асинхронні електричні машини.

· Електричні машини.

· Асинхронні машини.

q Магнітне поле, що обертається

q Режими роботи асинхронної машини

q Конструкція ротора

q Механічні характеристики асинхронного двигуна.

q Баланс активних потужностей асинхронного двигуна.

q Асинхронний лінійний двигун (ЛАД).

q Однофазний асинхронний двигун.

Електричні машини

Генератори, що перетворюють механічну енергію в електричну і двигуни, що перетворюють електричну енергію в механічну мають загальну назву – електричні машини. На відміну від машин, що обертаються, трансформатори уявляють собою статичні електромагнітні пристрої. Головною характерною рисою, загальною для електричних машин і трансформаторів, є те, що вони відносяться до енергоутворюючих пристроїв, що працюють на принципі електромагнітної взаємодії.

Асинхронні машини

З числа різних видів електричних машин (двигунів, генераторів) найрозповсюдженішими є асинхронні безколекторні машини, які найчастіше використовуються як двигуни.

Асинхронна машина – це машина, при роботі якої збуджується обертове магнітне поле (магнітне поле, що обертається) і змушує обертатись ротор. Ротор обертається асинхронно відносно поля, тобто з кутовою швидкістю, відмінною від кутової швидкості поля.

Асинхронна машина винайдена в 1888 р. російським вченим Доліво–Добровольським, але і до нашого часу зберегла всі конструктивні особливості, закладені винахідником.

Асинхронна машина проста і дешева. Загальний недолік – відносна складність і неекономічність регулювання їх експлуатаційних характеристик.

Принцип дії асинхронної машини

Двополюсний підковоподібний магніт обертається з постійною швидкістю. Між полюсами магніту розташований барабан – ротор, виконаний з струмоводних стрижнів у вигляді “білячого колеса”. Магнітні лінії поля при обертанні магніту перетинаючи стрижні ротора, індукують в них ЕРС, що обумовлює появу в стрижнях струмів. В результаті взаємодії струмів в стрижнях з магнітним полем виникає сила, що утворює електромагнітний обертаючий момент. Під дією цього моменту ротор починає обертатись в напрямку обертання магнітного поля. Із збільшенням швидкості обертання ротору і, відповідно, зменшенням відносної швидкості руху стрижнів в магнітному полі індуковані в них ЕРС поступово зменшуються, в зв’язку з цим зменшуються струми в стрижнях ротору і відповідно зменшується обертаючий момент. При певній швидкості обертання ротора (меншій за швидкість обертання магнітного поля) настає рівновага між магнітним обертаючим моментом і моментом опору (тертя) і далі швидкість обертання ротору при рівновазі моментів залишається постійною.

Якщо до ротора прикласти зовнішній момент опору (навантаження) то рівновага порушиться – момент опору буде більший за обертаючий момент. В результаті швидкість обертання ротора почне зменшуватись, швидкість перетинання магнітними лініями стрижнів збільшуватись, індуковані в стрижнях ЕРС і, відповідно, струми збільшуватись, збільшується обертаючий момент і, кінець–кінцем при деякій новій швидкості обертання ротора знову досягнеться рівновага моментів.

З цього програшу подій – висновок: кожному значенню моменту опору відповідає певна швидкість обертання ротора.

Швидкість обертання ротора і магнітного поля неоднакові. Ступінь відставання швидкості обертання ротору n від швидкості обертання магнітного поля n ₀ оцінюється величиною ковзання

звідки

При зміні швидкості обертання ротора n = 0 ¸ n ₀ ковзання змінюється S = 1¸0.

Розглянута модель механізму – не є двигуном.

В асинхронному двигуні магнітне поле, що обертається утворюється електричним шляхом нерухомими обмотками, що живляться трифазним струмом.

Магнітне поле, що обертається

Статор асинхронної машини уявляє собою циліндр, зібраний з листової сталі з пазами на внутрішній поверхні. В діаметрально протилежних пазах A–X, B–Y¸ C–Z розташовані витки котушок з однаковим числом витків. Кут між площинами котушок складає 120°. Початки котушок A, B, C приєднані до мережі трифазного струму частотою f ₁, а кінці X, Y, Z об’єднані в загальну нульову точку. В обмотках котушок протікають синусоїдальні струми І _А, І _В, І _С, взаємно зсунуті по фазі на третину періоду. Кожна котушка окремо створює пульсуючий магнітний потік, вісь якого співпадає з віссю відповідної котушки.

Можна показати, що три пульсуючі потоки утворюють спільне магнітне поле, незмінне
за величиною і, що обертається з постійною швидкістю відносно нерухомих катушок.

Так на малюнках (а), (б), (в) показані утворення сумарних магнітних потоків Ф = S j =` j <sub>A</sub> + ` j _B + ` j _C для трьох послідовних моментів часу t ₁, t ₂, t ₃. Величини векторів j _A, j _B, j _C взяті з графіку зміни магнітних індукцій в часі. Оскільки магнітний потік Ф пропорційний струму, що його утворює (за законом Ома для магнітних кіл Ф = Iw / R _м), то графіки зміни магнітних потоків збігаються у відповідному масштабі з графіками зміни струмів в фазних обмотках A–X, B–Y, C–Z.

Сумарне магнітне поле обертається в площині осей катушок з кутовою швидкістю w, тобто повний оберт вектор магнітної індукції здійснить за один період зміни струму в катушці. Воно послідовно співпадає за напрямком з віссю тієї з фазних обмоток, струм в якій досягає максимального значення. Тобто магнітне поле обертається в напрямку послідовності фаз трифазної системи струмів в фазних обмотках.

Наслідок: щоб змінити напрямок обертання магнітного поля достатньо змінити порядок підключення двох (із трьох) фазних обмоток.

Отже трифазна симетрична система струмів збуджує магнітне поле з однією парою полюсів, тобто двополюсне магнітне поле, що обертається. Його вісь повертається на 360°, тобто здійснює один оберт за час одного періоду зміни струму. Звідки, частота обертання n ₀ двополюсного поля дорівнює за величиною частоті f ₁ струмів в обмотці статора.

За історичною традицією частоту обертання прийнято визначати числом обертів n ₀ за хвилину n ₀ = 60× n ₀ = 60× f ₁.

Враховуючи, що n ₀ = f ₁, кутова швидкість обертання двополюсного поля W₀ = 2p n ₀ = 2p f ₁ = w [радіан / сек.].

Отже, кутова швидкість обертання двополюсного магнітного поля за величиною дорівнює кутовій частоті струмів в обмотках статора.

В багатополюсній обмотці статора кожній парі полюсів поля, що обертається, відповідає трійка котушок для фазних обмоток. Звідки, якщо поле повинно мати р пар полюсів, то кожна з фазних обмоток статора повинна бути розділена на р частин. При цьому частота обертання магнітного поля складає n ₁ = 60× f / р.

Режими роботи асинхронної машини

Режим роботи трифазної асинхронної машини визначається режимом електро–магнітної взаємодії струмів в обмотках статора і ротора. В залежності від значення ковзання трифазна асинхронна машина може працювати в одному з трьох режимів двигуна, генератора і електромагнітного гальма.

В режимі двигуна (0 < S < 1) трифазна асинхронна машина є перетворювачем електричної енергії в механічну. Ротор двигуна повинен обертатись асинхронно повільніше поля, з такою частотою обертання, при якій струми в обмотці ротора утворюють обертаючий момент, що врівноважує гальмуючий момент від тертя і навантаження на валу.

В режимі генератора S < 0 – швидкість обертання ротора більша за швидкість обертання поля.

В режимі електромагнітного гальма напрямки обертання ротора і магнітного поля протилежні.

Конструкція ротора

Асинхронні машини в основному відрізняються будовою ротора.

В більшості двигунів використовується короткозамкнутий ротор. Цей ротор дешевший і, що суттєво, обслуговування двигуна з таким ротором простіше. Конструкція – “біляче колесо” – була вже розглянута.

Обмотки фазного ротора або ротора з контактними кільцями виконуються з ізольованого проводу. В більшості випадків обмотка трифазна з тим же числом котушок, що і обмотка статора. Три фазні обмотки ротора з’єднані на самому роторі «зіркою», а вільні їх кінці приєднані до трьох контактних кілець, укріплених на валу і електрично ізольованих від нього. Через кільця і струмоз’ємні щітки обмотки ротора замикаються на трифазний реостат.

Обмотка статора включається безпосередньо в трифазну мережу. Включення реостату в коло ротора дає можливість суттєво покращити пускові умови для двигуна – зменшити пусковий струм і збільшити початковий (пусковий) обертаючий момент. Крім того, за допомогою реостату, включеного в коло ротора, можна плавно регулювати швидкість двигуна.

Умовні позначення асинхронних машин з короткозамкнутим (а) і фазним (б) роторами на принципових та електричних схемах.

Механічні характеристики асинхронного двигуна.

З принципу роботи двигуна стає очевидно, обертаючий момент двигуна М при незмінній швидкості обертання магнітного поля цілком залежить тільки від ковзання S, або від швидкості обертання ротора n,оскільки . Задаючи різні значення S в межах 0 ¸ 1 можна побудувати графік залежності обертаючого моменту М від S або М від n. Залежність М (S) і М (n) мають назву механічні характеристики асинхронного двигуна.

На характеристиці можна відмітити:

· максимальний або критичний момент М _к;

· пусковий момент М _пуск (при пуску двигуна, тобто при S = 1 або n = 0);

· номінальний момент М _н, що відповідає номінальному режиму роботи двигуна (йому відповідає номінальна частота обертання ротора n _ном, що вказується в паспорті двигуна).

Щоб двигун почав обертатись під навантаженням, необхідно, щоб його пусковий момент був більшим за гальмуючий пусковий момент механізму, на який працює двигун. Двигун розганяється у відповідності з механічною характеристикою: розгін починається з точки с, потім проходиться точка б і двигун опиняється в сталому режимі, тобто обертається з частотою n на ділянці а – б в точці, що відповідає умові М = М _г (де М _г – гальмуючий момент). Отже, ділянка б – с відповідає розгону, а ділянка а – б – робочому режиму, на якій при зміні обертаючого моменту М від 0 до М _к частота обертання двигуна змінюється мало.

Стійка робота двигуна, тобто робота при n» const, можлива тільки на ділянці а – б. Як це було показано раніше, – як би не змінювався гальмуючий момент, в межах ділянки а – б двигун може так змінити обертаючий момент, що умова його стійкої роботи завжди зберігається. В цьому полягає властивість внутрішнього саморегулювання асинхронного двигуна.

Коли гальмуючий момент стає рівним максимальному (критичному), обертаючий момент почне зменшуватись і рівність М = М _г стає неможливою.

По значенню відношення М _к / М _ном = g можнасудитипро перевантажувальну здатність двигуна. В асинхронних двигунах g = 1,7 ¸ 2,5.

Двигуну з фазним ротором відповідає родина механічних характеристик.

Звичайно робота двигуна відповідає залежності з R _p = 0. Ця характеристика аналогічна характеристиці двигуна з короткозамкнутим ротором і має назву природня.

Якщо трифазний реостат в колі ротора вивести на максимальний опір, то можна збільшити пусковий момент, а потім, зменшуючи опір реостату до нуля, вивести двигун в найбільш сприятливий режим.

Механічні характеристики, що отримані при введені реостату в коло фазного ротора, називається реостатними.

Обертаючий момент і ковзання, що відповідають роботі двигуна при повному навантаженні, називаються номінальним моментом М _н і номінальним ковзанням S _н.

Баланс активних потужностей асинхронного двигуна.

Дата добавления: 2014-11-29