Т.Г. Барсова - Асинхронные двигатели (Другой формат)

Министерство образования и науки РФ

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

Кафедра «Электротехника и электроника»

Т.Г. Барсова

Асинхронные двигатели

(Основные теоретические сведения и методы решения домашних заданий)

Москва, 2005г.

Асинхронные двигатели.

Асинхронный двигатель (двигатель переменного тока) является самым распространенным электрическим двигателем. Причина этого кроется в простоте конструкции и высокой надежности машин и относительно низкой их стоимости. Наибольшее распространение имеют трехфазные асинхронные двигатели различной мощности, но также довольно широко в бытовой, измерительной технике распространены и однофазные асинхронные двигатели, отличающиеся малой мощностью и питающиеся от двухпроводной сети. Общим недостатком асинхронных двигателей является сложность регулирования частоты вращения вала.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя показано на рис.1. Две главные части машины: неподвижный статор и вращающийся ротор, каждая из которых имеет сердечник и обмотки.

а) б)

Рис.1

Рис.1а – продольный разрез двигателя, состоящий из эле-ментов:

1. корпус (станина) статора

2. сердечник статора

3. часть обмотки статора, находящаяся вне пазов

4. сердечник ротора

5. обмотка ротора

6. вал

7. подшипниковый щит

8. подшипник

Рис.1б – поперечный разрез двигателя, где

1. корпус (станина) статора

2. сердечник статора

3. обмотка статора

4. сердечник ротора

5. обмотка ротора

6. воздушный зазор между внутренней поверхно-стью статора и поверхностью ротора

7. вал ротора

Ф-магнитный поток вращающегося двухполюсного поля.

В зависимости от конструкции ротора различают два типа асинхронных двигателей – короткозамкнутые асинхронные двигатели (основного исполнения) и двигатели с фазным ротором (специального назначения). Их условные обозна-чения показаны на рис.2: а) двигатель с короткозамкнутым и б) с фазным ротором.

Рис.2

В большинстве двигателей применяется коротко-замкнутый ротор. Эти двигатели дешевле и проще в эксплуатации. Устройство ротора показано на рис.3.

Рис.3

На рис.3а показана обмотка ротора (названная автором изобретения асинхронного двигателя М.О. Доливо – Добро-вольским «беличьей клеткой»).

На рис.3б представлен ротор, состоящий из сердечника (пакет ротора), обмоток (стержни и замыкающие кольца) и вала.

При необходимости плавно регулировать скорость дви-гателя используются двигатели с фазным ротором, назы-ваемым также ротором с контактными кольцами. Ротор этого двигателя показан на рис.4, где представлены

Рис.4

1. трехфазная обмотка ротора

2. контактные кольца на валу, соединенные каждая со своей фазой обмотки ротора

3. вал

4. неподвижные щетки, осуществляющие электрический контакт с контактными кольцами

5. внешний трехфазный реостат, позволяющий регулировать сопротивление цепи ротора (а следовательно и условия пуска двигателя или регулировать рабочий режим - т.е скорость вращения)

Обмотка статора асинхронного двигателя трехфазная. Фазы могут быть соединены и в звезду и в треугольник. Ко-личество катушек в каждой фазе может быть одна или более, что позволяет формировать как двухполюсное вращающееся магнитное поле (показано на рис.1б), так и многополюсное. Обмотки ротора короткозамкнутого двигателя – это про-дольные стержни (см. рис.3а). в двигателе с фазным ротором 3 фазы ротора соединены в звезду (рис.4).

Принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии двух магнитных полей (вращающегося магнитного поля статора, образованного трехфазной систе-мой токов статора, и магнитного поля ротора, создаваемого током в обмотках ротора). В результате этого взаимодействия магнитного поля статора и тока ротора возни-кает электромагнитная сила Ампера, воздействующая на подвижную часть двигателя – ротор и создающая вращающий момент М на валу ротора.

Основные электрические параметры, характеризующие асинхронный двигатель:

Р_н – номинальная мощность на валу двигателя,

n_н – номинальная частота вращения вала двигателя,

η_н – номинальный К.П.Д. двигателя,

cos φ_н – коэффициент мощности (номинальный),

f₁ – частота питающей сети,

U_фн – номинальное фазное напряжение обмотки стато-ра.

Эти параметры указаны в паспорте двигателя и на его щитке и позволяют рассчитать рабочие режимы и выбрать тип двигателя.

При расчете электрических режимов работы двигателя используется его электрическая модель (схема замещения).

Схема замещения двигателя построена на основе анализа явлений, имеющих место при работе двигателя. Эти явления описываются системой трех уравнений, соответствующих:

1. электрическому состоянию в обмотках статора

2. электрическому состоянию в обмотках ротора

3. взаимодействию магнитных потоков статора и ротора (так называемое уравнение магнитодвижущих сил)

Эти уравнения в результате некоторых преобразований сводятся к виду:

,

где

U₁ – фазное напряжение обмотки статора

Е₁ – ЭДС самоиндукции в обмотке статора

Е₂ – ЭДС взаимоиндукции в обмотке ротора

– приведенное к обмотке статора значение ЭДС обмотки ротора, равное = Е₂К (приведенное значение ЭДС в обмотке ротора)

К – величина, аналогичная коэффициенту трансформации в трансформаторе.

I₁ – фазный ток в обмотке статора

I₀ – ток холостого хода в обмотке статора

– приведенный ток в обмотке ротора,

R₁ – активное сопротивление фазы обмотки статора

X₁ – индуктивное сопротивление фазы обмотки статора (индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора)

– приведенное значение активного сопротивления фазы обмотки ротора

– активное сопротивление фазы обмотки ротора

– приведенное значение индуктивного сопротивле-ния фазы обмотки неподвижного ротора (индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора)

– индуктивное сопротивление фазы обмотки непо-движного ротора

S – скольжение

Черта под каждой из величин в системе уравнений озна-чает комплексное значение. Система уравнений справедлива для каждой из трех фаз обмотки статора.

На основании этой системы уравнений строится электри-ческая модель одной фазы асинхронного двигателя, которая аналогична подобной модели трансформатора (рис.5)

Рис.5

На рис.5 ветвь R_1, X₁ – это модель фазы обмотки статора – моделирует активное сопротивление ее проводов и поток рассеяния, ветвь , – моделирует активное сопротивление проводов и поток рассеяния фазы обмотки ротора, причем в схеме учтены приведенные значения, ветвь R_м и Х_м моделируют явления в магнитопроводе, R_м – активное сопротивление ветви намагничивания, учитывает потери в магнитопроводе (сердечнике) от вихревых токов n гистерезиса, а Х_м – индуктивное сопротивление ветви намагничивания учитывает основной (главный) магнитный поток в асинхронном двигателе (результирующее вра-щающееся магнитное поле статора и ротора).

Участок – это модель механической нагрузки на валу двигателя, изменение которой в зависимости от режима учитывается изменением величины скольжения S, т.е. – это приведенное эквивалентное сопротивление нагрузки.

Полная схема замещения может несколько упрощаться для некоторых ключевых режимов работы двигателя.

1. Режим холостого хода. Нагрузка на валу отсутствует М=0, частота вращения магнитного поля n₀ равна частоте вращения ротора n=n₀, следовательно S=0. Схема замещения показана на рис.6а,  .( ~0,03 – 0,06 ).

2. Режим номинальный, соответствует номинальной нагрузке М_н, при этом частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного поля, соответственно величина скольжения в номинальном режиме составляет значение S_н=0,015-0,06. Таким образом, зная значение n_н, легко найти величину часто-ты вращения магнитного поля n₀ из ряда синхронных частот, составляющих значения 3000 мин^-1, 1500 мин^-1, 1000 мин^-1, 750 мин^-1, 600 мин^-1, которая немного больше n_н. Схема замещения – рис.6б. В обмотках протекают номинальные токи (ветвь R_м, Х_м отсутствует, т.к. << ).

3. Режим критический, соответствует максимальному моменту на валу М_макс (он называется критическим М_к=М_макс), при превышении величины которого происходит торможение двигателя. Этот режим не является рабочим. Значение момента на валу в рабочем режиме не должно превышать 0,8 М_макс. Критическое скольжение S_к обычно составляет величину, близкую к значению  0,15.

4. Режим пуска. При пуске n=0, пусковой момент М_пуск, значение S_пуск=1, R_нагр.=0, схеме замещения соответствует рис.6в.

а) б) в)

Рис.6

На рис.6б значение – комплексное сопротивление об-мотки статора, – приведенное комплексное сопротивле-ние обмотки ротора, на рис.6в сопротивление – комп-лексное сопротивление короткого замыкания, значение кото-рого равно , (следует заметить, что ).

Основной характеристикой асинхронного двигателя является механическая характеристика, т.е. зависимость частоты вращения вала от нагрузки на валу n=f(M). На рис.7 приведен характерный вид этой кривой.

Рис.7

Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены ключевые режимы:

1) режим холостого хода, характеризуемый М=0, n₀;

2) режим номинальный, характеризуемый М_н, n_н; точка номи-нального режима лежит на участке “ав” механической характеристики, который близок к линейному и является ра-бочим участком характеристики асинхронного двигателя;

3) режим критический, характеризуется М_к и n_к; при этом - критическое скольжение;

4) режим пуска, характеризуется М_пуск, при этом n=0. Участок между точками 3 и 4 соответствует пуска или торможению двигателя.