Модуль 2: «Асинхронные машины» (стр. 3 )

Относительную разность частот вращения поля статора и ротора называют скольжением и выражают в относительных единицах (о. е.):

(1.10)

или в процентах:

. (1.11)

В зависимости от режима работы асинхронной машины скольжение изменяется в широких пределах.

1.3. Режимы работы асинхронной машины

В двигательном режиме электрическая энергия, подводимая к машине, преобразуется в механическую на валу. При пуске двигателя частота вращения и , скорость пересечения проводников ротора вращающимся магнитным полем максимальна. ЭДС, индуктируемая полем, в обмотке ротора тоже максимальна. Ток , вступая во взаимодействие с потоком , создает на роторе вращающий электромагнитный момент . Под действием момента ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поле. Пока электромагнитный момент больше момента на валу (статического тормозного), частота вращения ротора увеличивается. При равенстве электромагнитного и статического моментов (М = МС) наступает установившийся процесс: двигатель работает с постоянной частотой вращения п, величина которой определяется согласно формуле (1.10):

. (1.12)

При вращении ротора синхронно с полем статора (с синхронной частотой вращения) скольжение . При этом условии магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе наводится не будут, значит, и такой частоты вращения ротор самостоятельно достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда и . Всякое изменение статического момента влечет за собой изменение частоты вращения ротора: при увеличении частота вращения уменьшается, а разность соответственно увеличивается. Пропорционально разности увеличиваются ЭДС ~ и ток ~: ротор двигателя вращается с меньшей частотой, развивает больший момент на валу (до sкр).

Генераторный режим асинхронной машины наступает при частоте вращения ротора, превышающей синхронную. Этот режим достигается при увеличении частоты вращения ротора вспомогательным двигателем. При , проводники ротора и поле статора неподвижны относительно друг друга: ЭДС и ток обращаются в нуль. При дальнейшем увеличении частоты вращения ротора в проводниках его обмотки вновь появляются ЭДС и ток, но другого направления: машина переходит в генераторный режим. Рис. 1.7, а подтверждает этот вывод.

Пользуясь правилом правой ладони и считая поле неподвижным, а проводники – перемещающимися вправо с частотой вращения , определим по правилу левой ладони направление механической силы , направленной против направления вращения ротора.

Таким образом, в двигательном режиме электромагнитный момент машины движущий, вращающий; в генераторном – тормозной, действующий против вращающего МВР.

В генераторном режиме частота вращения может быть увеличена до бесконечности. Следовательно, этот режим определяет скольжение от до ().

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме необходим намагничивающий (реактивный) ток, создающий магнитное поле. Реактивный ток можно получить из сети (при параллельной работе асинхронного генератора с сетью) или создать режим самовозбуждения. В этом случае необходима остаточная намагниченность магнитопровода машины и батарея конденсаторов, включенная на зажимы статора машины и являющаяся источником реактивной мощности. Наличие батареи конденсаторов, ее большие габариты и масса являются серьезным недостатком асинхронных генераторов. Тем не менее в последнее время асинхронные генераторы применяют в качестве автономных источников питания (ветро - и гидроэнергоустановки малой мощности).

Тормозной режим асинхронной машины характеризуется вращением ротора в сторону, противоположную вращению поля статора (рис. 1.7, б). Этот режим может наступить при спуске двигателем груза (рис. 1.8, а) или реверсировании машин с полной скорости: постепенно увеличивая груз, можно сначала остановить (затормозить) двигатель (рис. 1.8, б), а затем, продолжая увеличивать груз, развернуть его (рис. 1.8, в) в другую сторону (против поля).

Частота вращения ротора относительно поля статора возрастет до и резко возрастет ток . Направления токов в проводниках ротора и электромагнитного момента останутся теми же. В таком режиме ротор вращается в обратном направлении (по отношению к направлению магнитного поля), поэтому , границы изменения скольжения . В рассматриваемом режиме энергию машина получает как со стороны ротора (механическую), так и со стороны статора (электричес-кую).

Тормозной режим наиболее тяжел для машины и часто приводит к перегреву обмоток, но пользуются им достаточно широко, ограничивая токи включением добавочных сопротивлений в цепь ротора.

1.4. Описание устройства асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (их называют двигателями с контактными кольцами). Конструктивно статоры этих двигателей отличий не имеют. По степени защиты двигатели выполняют закрытыми обдуваемыми (исполнение IP44, IP54) и защищенными (исполнение IP23). В закрытых двигателях со степенями защиты IP44 и IP54 более 90 % тепла, обусловленного потерями мощности, отводится воздухом с поверхности корпуса.

Двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее дешевыми, надежными и поэтому самыми распространенными из всех электрических двигателей; электропромышленность выпускает их десятки миллионов в год.

На рис. 1.9 показан общий вид наиболее распространенного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором закрытого обдуваемого исполнения. В сердечнике статора 1 расположена трехфазная обмотка 2. Обмотка ротора 3 – короткозамкнутая, в виде «беличьего колеса» (общепринятое название «обмотка в виде беличьей клетки»).

Сердечник статора закрепляют в корпусе 4, а сердечник ротора 5 – на валу 6 (машины малой мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках 7, установленных в подшипниковых щитах 8, прикрепляемых к корпусу статора. Конструкция оболочки (корпус, щиты и т. д.) в значительной степени зависит от исполнения машины по степени защищенности и от выбранной системы охлаждения. В обдуваемой машине (рис. 1.9) для лучшего охлаждения корпус снабжен ребрами 9. Центробежный вентилятор 10, расположенный на валу двигателя снаружи оболочки машины, обдувает ребристый корпус двигателя. Вентилятор закрыт воздухонаправляющим кожухом 11.

Внутри машины воздух перемешивается вентиляционными лопатками 12, отлитыми вместе с короткозамыкающими кольцами 13 обмотки 3 ротора. В мощных двигателях для повышения интенсивности охлаждения воздух прогоняется через аксиальные каналы ротора, образованные воздухопроводящими трубками и дисками, предотвращающими попадание наружного воздуха и влаги к обмоткам статора. На корпусе крепится коробка выводов 14, в которой установлена клеммная панель с выведенными концами обмотки статора. Количество выводов обмотки может быть шесть (начала и концы всех трех фаз обмотки, для возможности соединения обмотки статора по схеме «звезда» или «треугольник») или три, если в двигателе предусмотрена лишь одна схема соединения обмоток статора.