Электропривод на базе асинхронных двигателей

Раздел 3. Электропривод на базе асинхронных двигателей

3.1. Введение

Асинхронные двигатели являются самым распространенным типом электродвигателей. На долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью [16]. Суммарный объем электроэнергии, используемой для приведения в движение всех приводов с асинхронными двигателями, составляет более 50% всей потребляемой электроэнергии [41].

Широкое распространение асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

3.2. Область применения на ЛА

Свое применение нашли АД и в составе электропривода на летательных аппаратах. В частности, на самолетах Ту-154, Ил-62, Ил-76, Ил-86, у которых основной системой электроснабжения является система переменного тока стабильной частоты, АД используется в качестве привода управления закрылками, управления стабилизаторами и в топливных системах. Их количество на некоторых объектах составляет более двух десятков. В автоматизированных системах, в пилотажно-навигационном комплексе и приборном оборудовании широко используются двухфазные асинхронные микродвигатели [27].

3.3. Устройство АД

1) Неподвижный статор с (как правило) тремя фазными обмотками, образующими полюса, и сдвинутыми в пространстве на 120 град.

Обмотка статора обычно выполняется с кремний-органической изоляцией. В авиационных АД сравнительно небольшой мощности (до 1,5 кВт) применяются, как правило, однослойные обмотки, - более простые по технологии изготовления. При использовании таких обмоток отсутствует межкатушечная изоляция и увеличивается коэффициент заполнения паза медью.

Двухслойные обмотки применяются в АД относительно большой мощности. Они обеспечивают лучшую форму магнитного поля в двигателях. Двухслойные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу в двигателях используют редко, так как при этом не обеспечивается приемлемая форма магнитного поля.

2) Подвижный короткозамкнутый или фазный ротор.

Обмотка ротора в некоторых маломощных двигателях выполняется путем отливки под давлением из алюминия [27].

В маломощных АД воздушный зазор между статором и ротором составляет 0,2 – 0,3 мм, в двигателях большой мощности – несколько миллиметров.

3.4. Принцип действия АД

На три фазы статорной (первичной) обмотки АД подается переменное напряжение u_a=U_msin(t), u_b=U_msin(t-/3); u_c=U_msin(t-2/3), где =2πf₁.

В обмотках начинают протекать фазные токи, также сдвинутыми относительно друг друга на 120 эл.градусов.

Возникает магнитное поле статора, вращающееся с угловой скоростью Ω₀=2πf₁/p.

Явление вращающегося магнитного поля открыл в 1885 году Галилей Феррарис [37].

Магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора (вторичной обмотки) и индуцирует в ней ЭДС:

E₂=4,44w₂f₂Ф_m=4,44w₂ s f₁Ф_m = с₂(Ω₀-Ω)Ф_m, (1)

где Ф_m – амплитуда магнитного потока, пронизывающего проводники ротора. Формула (в части коэффициента 4,44 справедлива для синусоидально изменяющегося потока).

Направление E₂ определяется по правилу правой руки. Наведенная ЭДС создает в замкнутой обмотке токи. Ток ротора возбуждает в роторе поле рассеяния, индуктирующее в свою очередь в обмотке ротора ЭДС рассеяния ротора E_2, также в свою очередь влияющую на величину тока в обмотке ротора. Окончательно действующее значение тока в обмотке ротора

, (2)

где r₂ – активное сопротивление обмотки ротора, x₂=E_2/I₂=L₂=2f₂L₂ – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора.

Индуктивное сопротивление (индуктивность) стержней ротора мало, ток практически совпадает по фазе с ЭДС [27].

Поле ротора, вращается синхронно с полем статора и образует общий вращающий поток двигателя.

Поле ротора индуцирует в обмотке статора ЭДС [39]:

, (3)

где k_w1– обмоточный коэффициент; величина k_w1 < 1; введением этого коэффициента учитывают уменьшение результирующей ЭДС при геометрическом сложении ЭДС отдельных витков обмотки, распределенных по пазам статора.

В результате взаимодействия токов ротора с магнитным потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы, направление которых определяется по правилу левой руки, и вращающий электромагнитный момент.

, (4)

где ₂ – угол сдвига между векторами I₂ и E₂ [40]:

Угол ₂ зависит от соотношения индуктивного сопротивления ротора х₂ и активного сопротивления ротора R₂. В момент пуска, когда х₂ >> R₂, угол ₂ приближается к 90 град, а cos ₂ имеет малые значения, поэтому даже при максимальных значения E₂, наблюдаемых при пуске, пусковой момент АД невелик [47].

с_м – коэффициент

(6)

При этом для создания момента необходимо, чтобы поток статора пересекал бы проводники ротора, т.е, чтобы статорное поле вращалось со скоростью выше частоты вращения ротора. Эта разница в скорости вращения называется скольжением.

, (7)

где Ω_р – угловая скорость поля ротора относительно ротора.

Таким образом, отличительной особенностью АД, давшей ему название, является то, что поле статора и ротор вращаются с разными скоростями, т.е. не синхронно или асинхронно.

Частота ЭДС (токов) обмоток ротора

(8)

Между обмотками статора и ротора существует только магнитная (трансформаторная) связь, называемая также индуктивной, вследствие чего асинхронные машины в зарубежной литературе называют также индукционными.

Другими словами, принцип работы АМ основан на использовании взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными (индуцированными) этим полем в обмотках ротора. Поэтому такие машины называют индукционными [27].

3.5. Баланс мощностей

Из сети асинхронным двигателем потребляется активная мощность Р₁=3U₁I₁cosφ₁, где φ₁ – угол между напряжением U₁ и током I₁ обмотки статора.

Часть мощности, соответствующая потерям в статоре ΔР₁ (электрическим ΔР_1эл и магнитным ΔР_1ст) выделяется в виде тепла в обмотке и магнитопроводе статора:.

ΔР₁ = ΔР_1эл + ΔР_1ст

Электрические потери в статоре ΔР_1эл = mI₁²R₁.

Потери в стали статора связаны с возникновением вихревых токов и с перемагничиванием стали и зависят только от величины магнитного потока. При постоянном напряжении питания потери в стали статора постоянны. Магнитные потери в статоре пропорциональны приблизительно частоте питания f^1.5 [24].

Оставшаяся мощность, называемая электромагнитной мощностью Р_эм, передается вращающимся магнитным полем двигателя через рабочий зазор в ротор.

Р_эм = m₁E₂'I₂'cos₂ [25] (9)

Р_эм = Р₁ – ΔР₁= МΩ₀, (10)

где М – электромагнитный момент.

Электромагнитная мощность расходуется на механическую мощность (Р_м=МΩ) и мощность потерь в роторе ΔР₂.

Потери в роторе можно разделить на потери в стали и электрические потери. Из-за малой частоты перемагничивания ротора f₂=sf₁ потери в стали ротора практически отсутствуют. Электрические потери в роторе ΔР_2эл = mI^’₂²R^’₂.

Если пренебречь механическими потерями и потерями в стали ротора, то электрические потери в роторе:

ΔР_эл2 = Р_эм – Р_м =М*( Ω₀ – Ω) = МΩ₀s = Р_эмs, (11)

а механическая мощность

Р_м= Р_эм*(1-s) (12)

Выражение Р_эмs называют иногда мощностью скольжения.

Вследствие (11) во избежание перегрева ротора асинхронные двигатели выполняются таким образом, чтобы при номинальной нагрузке их скольжение было невелико.

Механическая мощность расходуется на мощность на валу Р₂=М_вΩ и механические потери ΔР_мх. Вследствие этого момент на валу М_в немного меньше электромагнитного момента М, развиваемого ротором.

Механические потери обуславливаются трением в подшипниках, трением вращающихся частей о воздух, а в двигателях с фазным ротором еще и трением щеток о контактные кольца. Механические потери пропорциональны приблизительно второй степени скорости вращения [24].

Кроме перечисленных выше основных потерь в двигателе имеются также так называемые добавочные потери Р_д, связанные с перемагничиванием зубцов статора и ротора высшими гармониками полей взаимоиндукции и полями рассеяния статора  и ротора [13].

3.6. Номинальные данные АД

На щитке (и в паспорте) асинхронного двигателя указываются следующие его номинальные величины [18]:

1. Мощность (на валу), кВт или Вт;

2. Линейное напряжение обмотки статора, В; обычно через дробь указывают линейное напряжение при соединении в звезду и треугольник [31]

3. Линейный ток статора, А;

4. Частота сети, Гц;

5. Частота вращения ротора (число оборотов в минуту);

6. Коэффициент полезного действия;

7. Коэффициент мощности (косинус угла сдвига фаз между напряжением и током фазы обмотки статора);

8. Напряжение на контактных кольцах (при неподвижном роторе) и ток обмотки ротора (при номинальном режиме) для двигателя с контактными кольцами.

9. Для АД с КЗ ротором: кратность пускового тока, кратность пускового момента, кратность критического момента [40].

10. Для двигателей с фазным ротором указывается ЭДС на разомкнутых кольцах заторможенного ротора Е_2н при U_1н и номинальный ток ротора I_2н [40].

Кроме того, на щитке указываются схема соединений обмотки статора, режим работы (продолжительный, кратковременный или повторно-кратковременный), для которого предназначен двигатель, и полный вес его в килограммах.

Интенсивность отказов АД, характеризующая надежность их работы, составляет (0,008-0,1)*10^-4 на час. Заданная надежность обеспечивается выполнением эксплуатационных норм и требований. Общими эксплуатационными требованиями, обеспечивающими нормальную работу АД в течение гарантийного срока службы, являются:

1. Допустимая температура окр.среды -50-60°С

2. Искажение формы питающего напряжения, не более 8%

3. Максимальная асимметрия напряжения в фазах, не более 5%

4. Отклонение частоты питающего напряжения от номинального значения, не более 2%

5. Отклонение напряжения от номинального значения, не более 2%.

Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели.

Асинхронные электродвигатели обладают как рядом достоинств, так и некоторыми недостатками по сравнению с двигателями постоянного тока.

По конструкции АД делят на два типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

3.7. АД с короткозамкнутым ротором.