Принцип действия асинхронного двигателя

Электромагнитная схема асинхронной машины (рис, 57, а) отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размешена на неподвижном статоре, а вто­ричная - на вращающемся роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора.

Рис. 57. Электромагнитная схема асинхронной машины

Фазы обмотки статора , и соединяют в звезду или треугольник и подключают к сети трехфазного тока (рис, 57, б). Обмотку ротора 4 в такой машине трех- или многофазной выполняют или размешают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее , и в простейшем случае замыкаются накоротко.

При питании трехфазным током обмотки статора создаётся вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная) . Если ротор неподвижен или вращается с частотой, меньшей , то вращающееся поле индук­тирует в проводниках ротора ЭДС и по ним проходит ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает электромагнитный момент. На рис 57. а показано направле­ние ЭДС, индуктированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока по часовой стрелке (согласно правилу правой руки). Активная составляющая тока ро­тора совпадает по фазе с индуктированной ЭДС; поэтому крестики и точки показы­вают одновременно и направление активной составлявшей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом правой руки. Суммарное усилие приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент , увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент доста­точно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, приложенному к ва­лу от приводимого во вращение механизма, и внутренних сил трения.

Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, при нем .

Относительную разность частот вращения маг­нитного поля и ротора называют скольжением:

. (1)

Скольжение часто выражают в процентах:

.

Очевидно, что при двигательном режиме:

.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и ак­тивной составляющей тока ротора, т.е. асинх­ронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 58, а). При этом изменит свое направление и магнитный момент , который станет тормозящим. В данном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает её в электрическую и отдаёт в сеть. В генераторном режиме .

Если изменить направление вращения рото­ра (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противопо­ложных направлениях (рис. 58, б), то ЭДС и активная составляющая тока в провод­никах ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т.е. машина бу­дет получать из сети активную мощность. Однако в таком режиме электромагнитный момент направлен против вращения ротора, т.е. является тормозящим. Этот режим ра­боты асинхронной машины называют электромагнитным торможением. В режиме электро­магнитного торможения направление вращения ротора является отрицательным (по отно­шению к направлению магнитного поля, поэтому , а .

Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения, т.е. неравенство частот вращения и . Только при этом условии в проводниках обмотки ротора индуктируется ЭДС и возникает электромагнитный мо­мент. По этой причине машину называют асинхронной (её ротор вращается не синхрон­но с полем).

На практике чаще всего встречается двигательный режим асинхронной машины, по­этому теория асинхронных машин изложена здесь применительно к этому режиму с последующим обобщением её на другие режимы работы.

а) б)

Рис. 58. Направление электромагнитного момента в асинхронной машине при работе её в режимах: генераторном (а), и электромагнитного торможения (б).

Лекция № 11

Основные уравнения.

Векторная диаграмма.

Схема замещения АД.

При заторможенном роторе обмотки статора и ротора пересекаются магнитным потоком с одной и той же скоростью, при этом в обмотках статора и ротора на водится ЭДС статора и ротора .

; (2)

. (3)

Отношение ЭДС:

, (4)

называют коэффициентом трансформации ЭДС.

Для основных гармоник обмоточные коэффициенты обычно равны 0,96–0,90 и поэтому в первом приближении можно считать:

, (5)

аналогично тому, как это имеет место в трансформаторе.

Холостой ход. Если обмотка ротора разомкнута, то по ней не будет проходить ток и, следовательно, она не будет влиять на электромагнитные процессы в статоре. Этот режим называют холостым ходом. Режим х.х. имеет место при условии равенства скорости вращения ротора со скоростью вращения поля статора . При этом ; и электромагнитный момент .

При холостом ходе для каждой фазы обмотки статора можно написать уравнение, полностью тождественное уравнению для первичной обмотки трансформатора при холостом ходе:

, (6)

где: ЭДС, индуктируемая вращающимся магнитным потоком , обхватывающим обмотки ротора и статора; ЭДС, вызываемая потоком рассеяния обмотки статора; – падение напряжения в обмотке статора от тока холостого хода.

На рис. 59, а показана векторная диаграмма асин­хронной машины при холостом ходе. В принципе указанная диаграмма должна быть аналогична векторной диаграмме трансформатора при холостом ходе. Однако величина тока холостого хода в асин­хронной машине из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20-40 % от номинального тока по сравнению с 2-5% у трансформатора), вследст­вие чего здесь нельзя уже пренебрегать падением напряжения и , и пользоваться приближен­ным уравнением .

Асинхронная машина с заторможенным ротором может быть использована в качестве трансформатора, если в цепь обмотки ротора (вторичной обмотки) включить сопротивление нагрузки.

Векторная диаграмма асинхронной машины с заторможенным ротором (рис. 59, б) аналогична диаграмме трансформатора и отображает на плоскости основные уравнения асинхронных машин:

;

; (7)

.

а) б)

Рис. 59. Векторные диаграммы асинхронной машины

Однако наличие в асинхронной машине вращающегося потока обуславливает некоторые специфические особенности при взаимодействии магнитных полей, токов в первичной и вторичной обмотках. Поскольку фазы обмотки ротора сдвинуты в пространстве, а токи в них имеют временный сдвиг, они создают бегущую волну МДС ротора , частота вращения которой

, (8)

где и – частота тока и число пар полюсов ротора.

Так как при неподвижном роторе ЭДС в обмотках статора и ротора имеют одинако­вую частоту, т.е.; , то:

. (8а)

Асинхронная машина может работать только при равенстве частот вращения бегущих волн МДС статора и ротора . Следовательно, статор и ротор должны иметь одинаковое число полюсов, т.е. . При этом условии бегущие волны МДС ротора и статора будут неподвижны относительно друг друга, и будут взаимодействовать между собой, обеспечивая передачу мощности из статора в ротор так же, как и в трансформаторе. В результате ток ротора будет создавать компенсирующую его составляющую тока статора , вследствие чего результирующий магнитный поток останется примерно таким же, как и при режиме холостого хода.

Таким образом, для асинхронной машины, как и для трансформатора, справедливо условие , т.е. магнитный поток при измене­нии режима работы меняется мало. Требование равенства частот вращения бегущих волн МДС ротора и статора жестко определяет лишь равенство числа полюсов. Число фаз обмоток статора и ротора в принципе может быть любым.

Схема замещения асинхронной машины с заторможенным ротором (рис. 60). Эта схема аналогична схеме замещения трансформатора, но параметры её определяются другими коэффициентами приведения. Полагая из условия равенства мощностей реального и приведенного роторов , находим:

. (9)

Рис. 60. Схема замещения асинхронной машины при заторможенном роторе

Величину называют коэффициентом приведения (трансформа­ции) токов.

Из равенства электрических потерь получаем:

. (10)

Из равенства относительных реактивных падений напряжений находим:

. (11)

Величину называют коэффициентом приведения сопротивлений. При опреде­лении коэффициентов , и для короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки принимают , и .

Таким образом, теория работы асинхронной машины с заторможенным ротором в ос­новном подобна теории работы трансформатора. Однако использование асинхронной машины в качестве трансформатора обычно нецелесообразно, так как она значительно дороже трансформатора и имеет худшие эксплуатационные характеристики (больший ток холостого хода, меньший КПД и пр.). Только в некоторых специальных устройствах асинхронную машину используют в режиме работы трансформатора, т.е. при заторможенном роторе (поворотные трансформаторы, фазорегулятор и индукционный регулятор).

Параметры ротора зависящие от скольжения. Рассмотрим общий случай индуктирования ЭДС в об­мотке ротора, увлекаемого вращающимся магнитным потоком. Так как эта обмотка пере­секается магнитным потоком частотой , частота индуктируемой в ней ЭДС:

. (12a)

При вращении ЭДС в обмотке ротора

. (13)

Учитывая, что эта ЭДС при заторможенном роторе

,

получаем

. (13a)

Если обмотка ротора замкнута, по ней будет проходить ток с частотой , кото­рый создает МДС .

.

где:

Направление вращения МДС ротора определяется порядком чередования максиму­мов тока в фазах, т.е. МДС ротора вращения в ту же сторону, что и магнитное по­ле статора.

Таким образом, в асинхронной машине магнитное поле, вращающееся с частотой , возникает в результате совместного действия МДС ротора и статора. Оно служит связующим звеном между статором и ротором, обеспечивая обмен энергией между ними.

Лекция № 12