Раздел 4 Асинхронные машины

Тема 4.1 Режимы работы и устройство асинхронной машины

Содержание программы:

Режимы работы асинхронной машины: двигательный, генераторный и тормозной. Условия перехода асинхронной машины в указанные режимы.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора.
Особенности конструкций асинхронного двигателя с фазным ротором. Маркировка выводов обмоток асинхронного двигателя. Соединение обмоток статора звездой и треугольником.

Литература

[ 1] c.137; [ 2 ] c.93

Методические указания:

Асинхронные машины в основном используются как двигатели, но могут работать в режиме генератора и электромагнитного тормоза.

В основном на производстве используются АД. Их широкое распространение обусловлено:

1. Простотой конструкции

2. высокой надёжностью

3. низкой стоимостью

Различают асинхронные машины двух разновидностей:

- с короткозамкнутым ротором (наиболее широко распространены)

- с фазным ротором (сложнее по конструкции и не так часто применяются)

Режимы работы асинхронной машины:

В двигательном режиме скольжение двигателя лежит в пределах от 0 до 1. Скорость вращения ротора меньше скорости вращения электромагнитного поля (синхронной скорости вращения). Электромагнитный вращательный момент преодолевает механический момент сопротивления на валу и приводит во вращение приводной механизм.

Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигате­ля вращать в направле­нии вращения магнитного поля статора с частотой , то направление движения ротора относительно поля статора изме­нится на обратное и ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Элек­тромагнитный момент на роторе М также изменит свое направ­ление и станет тормозящим по отношению к вращаю­щемуся моменту приводного двигателя. В этом случае механическая мощность приводного двигателя будет преобразована в электрическую активную мощность переменного тока. Особенность работы асинхронно­го генератора состоит в том, что для его работы необходим источник реактивной мощности для создания магнитного поля. Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне от минус бесконечности до нуля, т. е. оно может при­нимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направле­нии. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной ма­шины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, будет тормозить ротор. Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на торможение ротора.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое скольжение асинхронной машины?

2. Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины в различных режимах ее работы?

3. С какой целью обмотку статора асинхронного генератора подключают к сети трехфазного тока?

4. Каким образом асинхронный двигатель можно перевести в режим электро­магнитного торможения?

5. Объясните конструкцию короткозамкнутого и фазового роторов.

6. Трехфазный асинхронный двигатель предназначен для работы при напряже­ниях сети 220/380 В. Как следует соединить обмотку статора этого двигателя при напряжении сети 220 В и как — при напряжении 380 В?

Тема 4.2 Магнитное поле асинхронной машины

Содержание программы:

Магнитная цепь асинхронного двигателя. МДС обмотки статора в режиме холостого хода. Основной магнитный поток и потоки рассеяния. Индуктивные сопротивления обмоток асинхронного двигателя. Роль зубцов сердечника в создании электромагнитных сил и наведении ЭДС в обмотке электрической машины.

Литература

[ 1] c.146

Методические указания:

Магнитодвижущая сила обмотки статора созда­ет магнитный поток, который замыкается через эле­менты магнитной системы машины. Магнитную систему асинхронной машины называют неявнополюсной, так как она не имеет явно выра­женных магнитных полюсов.

Помимо основного (главного) магнитного потока Ф, который сцепляется с обмотками статора и ротора, в асинхрон­ной машине имеется еще два магнитных потока, называемых по­токами рассеяния: магнитный поток рассеяния статора Ф_σ1 и магнитный поток рассеяния ротора Ф_σ2. Каждый из этих потоков рассеяния сцепляется лишь с собственной обмоткой и наводит в ней ЭДС рассеяния: в обмотке статора Еσ1, в обмотке ротора Е_σ2.

Как известно, поверхности сердечников статора и ротора со­стоят из зубцов и пазов, при этом пазовые стороны обмоток рас­положены в пазах, где магнитная индукция намного меньше, чем в зубцах. Однако условия наведения ЭДС в обмотке не меняются и остаются такими же, как если бы пазовые стороны обмотки были расположены на гладкой поверхности сердечника. Объясняется это свойством непрерывности магнитных линий. Согласно этому свойству, магнитные линии вращающегося магнитного поля пере­ходят из одного зубца в другой и пересекают пазовые проводники обмотки, лежащие в пазах между зубцами, наводя в них ЭДС.

Интересно отметить, что электромагнитная сила, возникаю щая при взаимодействии тока в проводе, лежащем в пазу сердеч­ника, с внешним магнитным полем, приложена главным образом не к проводу, а к зубцам, образующим стенки паза. Это явление переноса механических сил с проводов на зубцы объясняется воз­никновением пондеромоторных сил, которые появляются в магнитном поле на гра­нице раздела двух сред с разной магнитной про­ницаемостью и всегда направлены от среды с большей магнитной про­ницаемостью к среде с меньшей магнитной про­ницаемостью (в рассмат­риваемом случае из зуб­ца в паз)

Вопросы для самопроверки:

1. Из каких участков состоит магнитная цепь асинхронной машины?

2. Какова цель расчета магнитной цепи асинхронной машины?

3. Как влияет выбор значения магнитной индукции в воздушном зазоре на свойства асинхронного двигателя?

4. Какие марки листовых электротехнических сталей применяют в асинхрон­ных двигателях?

5. Что учитывает коэффициент воздушного зазора?

6. Как определить коэффициент магнитного насыщения?

7. Чем обусловлены индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора асинхронного двигателя?

8. Почему электромагнитные силы в асинхронном двигателе приложены глав­ным образом к зубцам сердечника, а не к проводам обмотки?

Тема 4.3 Рабочий процесс трехфазного асинхронного двигателя

Содержание программы:

Аналогия между асинхронной машиной и трансформатором. Управления ЭДС асинхронного двигателя (АД) при неподвижном и вращающемся роторе. Понятие оскольжении асинхронной машины. Частота ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Управление МДС и токов АД. Приведение параметров обмотки ротора к параметрам обмотки статора. Векторная диаграмма и схема замещения АД. Потери и КПД асинхронного двигателя.

Литература

[ 1] c.154; [ 2 ] c.95

Методические указания:

Приведение величин цепи ротора к числу витков обмотки статора, как и в трансформаторах, производят для удоб­ства сопоставления величин первичной и вторичной обмо­ток и изображения их в одном масштабе, а также для по­лучения более простой схемы замещения.

Суть приведения состоит в том, что реальный ротор с числом фаз m₂ и числом витков в обмотке w₂ заменяете ротором, у которого число фаз и число витков в обмотке приняты такими же, как и у статора. При этом мощность, потери и МДС в приведенном роторе должны сохранить те же значения, что и в реальном роторе. Величины приведенного ротора обозначают теми же символами, что и неприведенного, но со штрихом. При приведении величин вторичной обмотки (ротора) к числу витков первичной обмотки следует иметь в виду, что для двигателей с фазным ротором число фаз ротора рав­но числу фаз статора, т.е. m₂ = m₁ а для двигателей с короткозамкнутым ротором число фаз ротора равно числу стержней короткозамкнутой обмотки, т. е. m₂=N₂; w₂= 0,5; k_w2=i₁

Векторная диаграмма асинхронного двигателя яв­ляется графической иллюст­рацией уравнений. Поскольку уравне­ния асинхронного двигателя при неподвижном роторе совпадают с уравнениями транс­форматора, их векторные диаграммы также аналогичны.

Для расчета характеристик асинхронной машины и ис­следования различных режимов ее работы удобно исполь­зовать схемы замещения. При этом реальная асинхронная машина с электромагнитными связями между обмотками заменяется относительно простой электрической цепью, что позволяет существенно упростить расчет характеристик. Очевидно, что при переходе к схеме замещения уравнения для этой схемы должны полностью соответствовать урав­нениям, описывающим рабочий процесс асинхронной ма­шины.

Вопросы для самопроверки:

1. В чем сходство и в чем различие между асинхронным двигателем и транс­форматором?

2. Почему с увеличением механической нагрузки на вал асинхронного двигате­ля возрастает потребляемая из сети двигателем мощность?

3. Каков порядок построения векторной диаграммы двигателя?

4. В чем отличие Г-образной схемы замещения от Т-образной?

Тема 4.4 Электромагнитный момент и рабочие характерис­тики асинхронного двигателя

Содержание программы:

Электромагнитный момент АД. Зависимость электромагнитного момента от скольжения. Максимальный момент и критическое скольжение. Начальный пусковой момент. Перегрузочная способность АД.

Рабочие характеристики АД. Способы улучшения коэффициента мощности АД.

Влияние напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора на форму механической характеристики АД.

Литература

[ 1] c.162; [ 2 ] c.110

Методические указания:

Электромагнитный момент М двигателя создаётся взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора.

Момент – произведение силы на плечо этой силы

Рабочие характеристики АД это графические зависимости между частотой вращения , КПД , полезного момента (на валу) , коэффициента мощности и тока статора от полезной мощности при и .

Рисунок 1 - Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Здесь зависимость называется скоростной характеристикой машины - скорость вращения ротора в зависимости от скольжения. В режиме холостого хода, когда выходная мощность на валу равна нулю, скорости вращения поля статора и скорость вращения ротора совпадают. При номинальной нагрузке скольжение составляет 1-8%.

Зависимость - полезного момента на валу от полезной мощности. Выражается зависимостью если бы при изменении нагрузки частота вращения ротора оставалась постоянной, то график был бы прямой, но так как частота немного уменьшается с увеличением нагрузки, то график возрастает немного быстрее, чем по прямой и имеет криволинейный вид.

Зависимость

Асинхронная машина потребляет реактивную мощность, небходимую для создания магнитного поля. Ток статора тоже имеет реактивную составляющую, поэтому cosφ машины ниже единицы.

Наименьшее значение cosφ соответствует режиму холостого хода, так как в этом режиме составляющая Iхх составляет значительную часть общего тока, нагрузочный ток минимален.

Коэффициент мощности АД в режиме холостого хода обычно не превышает 0.2.

При увеличении нагрузки растёт активная составляющая тока, поэтому cosφ растёт и становится максимальным приблизительно на 0,8-0,9 номинальной нагрузки двигателя.

Далее увеличивается скольжение, частота тока в роторе, поэтому увеличивается индуктивное сопротивление ротора, вследствие чего cosφ снижается.

Вопросы для самопроверки:

1 Объясните характер рабочих характеристик асинхронного двигателя?

2 Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его cosφ, имеет низ­кие значения?

3 Почему график I1= f(P2)не выходит из начала координат?

Тема 4.5 Опыты холостого хода и короткого замыкания асинхронного двигателя

Содержание программы:

Опыты холостого хода, короткого замыкания асинхронного двигателя. Схемы опытов, порядок проведения и использования результатов для расчета параметров схемы замещения асинхронного двигателя. Расчет и построение рабочих характеристик асинхронного двигателя по схеме замещения с вынесенным намагничивающим контуром.

Литература

[ 1] c.179; [ 2 ] c.107

Методические указания:

Опыты х.х. и к.з. асинхронных двигателей в ос­новном аналогичны таким же опытам трансформа­торов. Но они имеют и некоторые осо­бенности, обусловленные нали­чием у двигателя вращающейся части — ротора. Кроме того, при переходе из режима х.х. в режим к.з. параметры обмоток двигателя (активные и ин­дуктивные сопротивления) не остаются неизменны­ми, что объясняется зубчатой поверхностью статора и ротора. Все это создает некоторые затруднения в проведении опытов и в последующей обработке их результатов.

Опыт холостого хода. Цель опыта — опреде­ление тока холостого хода I_Х, коэффициента мощности холостого хода cosφ_х, потерь в стали, механических потерь, сопротивлений намагничивающий ветви схемы замещения.

Опыт короткого замыкания. Цель опыта — определение напряжения короткого замыка­ния, потерь короткого замыкания двигателя, сопротивлений об­моток статора и ротора в схеме замещения.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие существуют методы получения данных для построения рабочих харак­теристик асинхронных двигателей?

2. Чем ограничивается применение метода непосредственной нагрузки?

3. Как определить величину механических и магнитных потерь двигателя по характеристикам х.х.?

Тема 4.6 Пуск и регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя

Содержание программы:

Пусковые свойства трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при пониженном напряжении: переключением обмоток статора со звезды на треугольник, реакторный, автотрансформаторный пуск. Пуск АД с фазным ротором. АД с улучшенными пусковыми свойствами: глубокопазные и двухклеточные АД.

Регулирование частоты вращения АД.

Литература

[ 1] c.193; [ 2 ] c.123

Методические указания:

При рассмотрении возможных способов пуска в ход асинхронных двигате­лей необходимо учитывать следующие основные положения:

1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения;

2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, что­бы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети;

3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и стои­мость пусковых устройств - малыми.

Различают следующие способы пуска в ход асинхронных двигателей: пря­мое включение в цепь, реакторный, автотрансформаторный, с переключением звезды на треугольник, реостатный (с фазным ротором).

Изменение частоты вращения можно произвести:

1. изменением скольжения.

2. частоты тока в обмотке статора

3. числом полюсов

Изменение скольжения:

1. изменением подводимого к обмотке статора напряжения

2. нарушением симметрии этого напряжения

3. изменение активного сопротивления обмотки ротора.

Изменением напряжения: (графики сплющиваются вниз)

Увеличение напряжения вызывает рост частоты вращения, но нельзя неограниченно наращивать напряжение, иначе обмотки перегреются. Диапазон регулирования частоты в таком случае оказывается небольшим.

С уменьшением напряжения уменьшается перегрузочная способность.

Уменьшения напряжения добиваются с помощью автотрансформаторов или реакторов.

Нарушение симметрии:

Вращающееся поле статора становится эллиптическим, при этом появляется встречный момент, который тормозит ротор. Для такого регулирования можно в одну фазу питающей сети включить регулировочный автотрансформатор. Недостатки – узкая зона регулирования и низкий КПД двигателя. Такое регулирование применяют в машинах малой мощности.

Изменение активного сопротивления в цепи ротора:

Уже рассматривали. Способ позволяет регулировать частоту вращения только вниз и сопряжён с потерями энергии, что делает его неэффективным. Кроме того, при колебаниях момента скорость вращения ротора тоже начинает сильно колебаться. Однако, способ широко применяется для АДФР.

Изменение частоты тока в статоре.

Называют частотным регулированием. Необходим источник переменного тока регулируемой частоты – преобразователь частоты. Это может быть:

1. электромашинный ПЧ

2. ионный ПЧ

3. полупроводниковый ПЧ

С изменением частоты изменяется и максимальный момент, что может быть нежелательно. Чтоб этого избежать, вместе с изменением частоты изменяют и подводимое напряжение. При этом добиваются одного из двух режимов:

1. режим постоянства момента

2. режим постоянства мощности

Диапазон регулирования частоты достаточно широкий, до 12:1. Однако, регулируемый источник переменного тока довольно дорогой.

Изменение числа полюсов обмотки статора.

Обеспечивает только ступенчатое регулирование – синхронные частоты могут быть 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин.

Вопросы для самопроверки:

1. Какими показателями характеризуются пусковые свойства асинхронных дви­гателей?

2. Каковы достоинства и недостатки пусковых свойств асинхронных двигателей?

3. Как лучше, с точки зрения улучшения пусковых свойств, уменьшить пуско­вой ток: снижением подводимого к двигателю напряжения или увеличением активного сопротивления в цепи обмотки ротора?

4. Каковы достоинства и недостатки пуска асинхронных двигателей непосред­ственным включением в сеть?

5. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении?

6. В чем сущность эффекта вытеснения тока и почему он возникает при пуске двигателя и почти исчезает при его работе?

7. Почему бутылочная форма паза ротора способствует лучшему проявлению эффекта вытеснения тока?

8. Перечислите способы регулирования частоты вращения асинхронных двига­телей и дайте им сравнительную оценку.

Почему при частотном регулировании частоты вращения одновременно с частотой тока необходимо изменять напряжение

Тема 4.7 Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

Содержание программы:

Получение кругового вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре. Особенности конструкции и работа однофазного АД. Реверс однофазного АД. Конденсаторные АД. Выбор рабочей и пусковой емкостей. Работа трехфазного АД в однофазной сети.

Литература

[ 1] c.208; [ 2 ] c.136

Методические указания:

Однофазный двигатель устроен аналогично трёхфазному. На статоре уложена однофазная обмотка. Ротор короткозамкнутый.

Особенность в том, что такая обмотка создаёт не вращающееся поле как трёхфазная, а пульсирующее.

Конденсаторный двигатель работает аналогично однофазному, но пусковая обмотка не отключается после пуска. Такой двигатель работает с вращающейся МДС, и по своим свойствам приближаются к трёхфазным. В качестве фазосмещающего элемента применяется ёмкость (конденсатор).

Каждому режиму требуется своя ёмкость для получения кругового поля, но менять ёмкость затруднительно. Поэтому берут ёмкость, подходящую для номинальной нагрузки .

Однако, эта ёмкость не подходит для пускового режима. Для создания пускового момента применяют пусковую ёмкость , которая отключается после пуска.

Вопросы для самопроверки:

1. Почему однофазный двигатель не создает пускового момента?

2. С какой целью в цепь пусковой обмотки двигателя включают ФЭ?

3. Чем отличается однофазный двигатель от конденсаторного?

4. Как можно повысить пусковой момент в конденсаторном двигателе?

5.С какой целью в асинхронном двигателе с экранированными полюсами эти полюсы делают расщепленными?

Тема 4.8 Асинхронные машины специального назначения

Содержание программы:

Индукционный регулятор, фазорегулятор, асинхронный преобразователь частоты, линейный асинхронный двигатель, сельсины.

Серийно выпускаемые асинхронные двигатели.

Литература

[ 1] c.218; [ 2 ] c.150

Методические указания:

Необходимо усвоить назначение, особенности, схемы включения, устройства, принцип действия асинхронных машин специального назначения.

Материал этой темы изложен в [2] кратко и носит описательный характер. Он рассчитан на ознакомление учащихся с видами асинхронных машин специального назначения.

Вопросы для самопроверки:

1 В чем различие между схемами соединения индукционного регулятора на­пряжения и фазорегулятора?

2 Сколько раз напряжение на выходе ИР достигнет наибольшего значения за один оборот ротора, если обмотка имеет 2р = 6?

3 В каком направлении следует вращать ротор АПЧ, чтобы на выходе полу­чить ЭДС частотой, большей частоты тока в сети?

4. Какую долю мощности на выходе АПЧ составит мощность приводного дви­гателя, если частота тока на входе АПЧ равна 50 Гц, а на выходе — 100 Гц?

5. Объясните работу сельсинов в индикаторной системе передачи. Чем вызвана ошибка в воспроизведении угла поворота?

6. Чем обеспечивается отсутствие самохода в асинхронном исполнительном двигателе?

7. Объясните принцип работы асинхронного линейного двигателя.

8. Что такое краевой эффект и каковы его нежелательные действия в линейном асинхронном двигателе?