Модуль 2: «Асинхронные машины» (стр. 1 )

Модуль 2: «Асинхронные машины»

(Конспект лекций )

1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

1.1.  Общие вопросы

Асинхронной машиной (АМ) называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с частотой w1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. ЭДС и ток во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота w2 является функцией угловой скорости ротора, которая, в свою очередь, зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Асинхронные машины – наиболее распространенные электрические машины. Как всякая электрическая машина, асинхронная машина обратима и используется как преобразователь электрической энергии в механическую или для обратного преобразования. Чаще всего асинхронные машины работают в качестве электродвигателей.

Асинхронные генераторы применяют значительно реже. В системах автоматики используют большое количество разновидностей и модификаций асинхронных машин: двухфазные исполнительные асинхронные двигатели, тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы. В соответствии с этим мощность асинхронных машин, изготавливаемых электропромышленностью, колеблется в широких пределах от долей ватта до многих тысяч киловатт. Номинальные напряжения в асинхронных машинах большой мощности достигают 10000 вольт.

В двигателях специального исполнения частота доходит до нескольких тысяч герц, а частота вращения – до нескольких десятков тысяч об/мин. Асинхронные двигатели потребляют до половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в электроприводах различных механизмов: вентиляторах, насосах, транспортерах, компрессорах, обрабатывающих станках и т. д. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Особенно широко применяются трехфазные асинхронные двигатели на напряжение до 1000 В мощностью до 100 кВт.

Первые двухфазные асинхронные двигатели были предложены итальянским ученым Г. Феррарисом и югославским ученым Н. Тесла, предложившим способ получения вращающегося магнитного поля при двухфазном токе. Наибольшую роль в создании асинхронных двигателей сыграл русский ученый -Добровольский. В 1889 году он впервые использовал трехфазный ток, применил на статоре распределенную трехфазную обмотку и короткозамкнутую роторную обмотку в виде беличьей клетки, а также трехфазную обмотку ротора, выведенную на контактные кольца, для подключения с их помощью пускового реостата в цепь ротора. Принципиальные конструкторские решения, предложенные -Добровольским, за столетнюю историю развития АМ в основном остались неизменными.

Для бытовых приборов и специальных приводов используют одно-фазные асинхронные двигатели.

Асинхронные двигатели в нашей стране выпускают едиными сериями. В эксплуатации единые серии значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования.

Опыт разработки и внедрения крупных серий асинхронных двигателей показал необходимость совместной работы расчетчиков, конструкторов и технологов, начиная с момента разработки технического задания в серию. Создание высокоэкономичных асинхронных двигателей единых серий – сложная научно-техническая задача. Применение современных компьютерных технологий позволяет в кратчайшие сроки разрабатывать и запускать в серийное производство новые серии АМ. Грамотная эксплуатация асинхронных двигателей – залог длительной работы самих двигателей и сложного оборудования, основным звеном которого являются эти двигатели.

1.2. Принцип действия

и устройство асинхронных машин

Анализ электромеханических преобразователей показывает, что функции преобразования энергии выполняются при периодическом пространственном изменении магнитного поля, т. е. , так как только в этих

случаях Мэ м¹ 0, Рэм ¹ 0, здесь g - угол поворота.

Магнитные поля (потокосцепления), индуктивности и взаимные индуктивности не могут быть монотонно возрастающими функциями токов и угла поворота подвижной части (ротора) и, следовательно, единственно возможным является случай их периодического изменения в зависимости от взаимного перемещения индуктора и якоря. При этом можно перемещать индуктор просто механически или создавать условия для перемещения (вращения) магнитного поля, созданного обмотками.

Создание вращающихся магнитных полей в ЭМ осуществляют многофазными обмотками, т. е. при т ³ 2. Для этого требуется также многофазная сеть – источник питания. Необходимо выполнить всего два условия:

1.  Обмотка т-фазная подключается к т-фазному источнику питания.

2.  Оси фаз обмотки располагают в ЭМ с пространственным сдвигом на угол электрических градусов, равным временному сдвигу фаз источника.

Для трехфазной обмотки: т=3, a=120°, jф=120°.

В асинхронной машине выполняются вышеперечисленные условия. Конструктивно асинхронная машина, как всякий ЭМП, состоит из двух совершенно необходимых частей:

1.  Магнитной, предназначенной для локализаций магнитного поля в заданном объеме;

2. Электрической, выполняющей две функции: во-первых, создание магнитного поля, во-вторых, восприятие действия созданного в АМ магнитного поля.

Принцип действия асинхронного двигателя заключается в следующем. Обмотка статора подключается к трехфазной сети (или источнику) и создает вращающееся магнитное поле с частотой вращения , где f1 – частота тока в первичной обмотке (статора).

1.  Если обмотка ротора замкнута, то поле наводит в ней ЭДС с частотой f2. Следовательно, образуется ток и собственное магнитное поле ротора, которое будет вращаться относительно ротора с частотой , поскольку обмотка ротора многофазная. При n2 = 0, f2 = f1 и .

2.  При взаимодействии полей обмоток создается результирующее магнитное поле и электромагнитный момент, под действием которого ротор приходит в движение в сторону вращения поля статора. При этом поля взаимодействуют, если неподвижны относительно друг друга. Так как п2 ¹ 0, то поле ротора всегда вращается относительно ротора с и суммарная скорость поля в пространстве равна n2 + n'2 = n1

3.  Следовательно, частота тока в обмотке ротора зависит от скорости ротора и . Вводя понятие относительной разности скоростей - скольжения , получим или f2 = f1s.

При достижении частоты вращения ротора, равной частоте вращения магнитного поля (синхронной частоте), ток в роторе будет равен нулю, электромагнитный момент не образуется, т. е. преобразование становится невозможным, поэтому эта машина названа асинхронной.

Магнитная система асинхронной машины выполняется (из листовой электротехнической стали) в виде двух концентрических цилиндров, из которых внутренний (ротор), укрепленный на валу в подшипниках, может свободно вращаться внутри неподвижного внешнего (статора).

Обмотка 1 (рис. 1.1) размещается равномерно по окружности статора так, чтобы отдельные ее фазы были сдвинуты на 120°. Обмотка 2 на роторе выполняется трехфазной или многофазной и в простейшем случае замыкается накоротко. Для лучшей магнитной связи воздушный зазор 3 между статором и ротором выбирается минимально возможным.

Если обмотку статора присоединить к источнику трехфазного переменного тока, то, протекая по обмотке, ток создаст магнитное поле, ось которого непрерывно перемещается (вращается) в пространстве. Это вращающееся магнитное поле наводит токи в замкнутой обмотке ротора, которые, взаимодействуя с полем, создают электромагнитные силы, стремящиеся двигать ротор в направлении вращения поля.

Принцип образования вращающегося магнитного поля в машине переменного тока рассмотрен на примере статора с простейшей обмоткой (рис. 1.2), в которой каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (первая фаза – проводники А и Х, вторая фаза – проводники В и Y, третья фаза – проводники С и Z).

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на расстоянии полюсного деления

, (1.1)

где диаметр внутренней расточки статора, а число пар полюсов.

На рис. 1.2 полюсное деление составляет половину окружности. Шаг витка или обмотки называют полным (). Двойному полюсному делению соответствует угол по окружности статора[*] в 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет треть окружности.

На рис. 1.2, а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени , когда и . Через четверть периода токи изменят фазу на 90° (рис. 1.2, б):