Описать устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Все трехфазные асинхронные двигатели имеют конструктивно одинаковые статоры и различаются выполнением обмотки ротора. По конструкции обмотки ротора эти двигатели подразделяются на два типа; с короткозамкнутой обмоткой (короткозамкнутые) и с фазной обмоткой (так называемые двигатели с фазным ротором или с контактными кольцами).

Трехфазный двигатель предназначен для включения в трехфазную сеть, поэтому он должен иметь обмотку статора, состоящую из трех фазных обмоток, при прохождении через которые токи, поступающие из трехфазной сети, возбуждают вращающееся магнитное поле. Для усиления магнитного поля и придания ему необходимой формы сердечник статора и ротора выполняют из электротехнической стали. Для уменьшения потерь в стали сердечники собирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака.

На рисунке показана конструктивная схема поперечного разреза асинхронного двигателя, состоящего из корпуса (станина) статора 1, сердечника статора 2, обмотки статора 3, сердечника ротора 4, обмоток ротора 5, воздушного зазора между внутренней поверхностью сердечника статора и поверхностью ротора 6, вентиляционных каналов 7, вала ротора 8.

К корпусу двигателя, который отливают из чугуна или стали, прикрепляют все остальные части двигателя. Сердечник статора имеет вид полого цилиндра с продольными пазами по внутренней поверхности. В пазы укладываются три одинаковые фазные обмотки, сдвинутые относительно друг друга на угол 120°. Внутри корпуса сердечник статора укрепляется с помощью прокладок из немагнитного материала для того, чтобы не допускать образования в нем магнитного поля и, следовательно, вихревых токов.

Вращающееся магнитное поле при числе полюсов 1 и 50 Гц имеет частоту вращения 3000 об/мин. Если же требуется меньшая частота вращения, то необходимо соответственно уменьшить частоту вращения поля. Для этого статоры выполняют с многополюсными обмотками (1). В многополюсной обмотке каждой паре полюсов вращающегося поля соответствуют три катушки. Если же необходимо иметь пар полюсов, то число катушек обмотки статора равно З , т. е. по катушек в каждой фазной обмотке.

Рассмотрим устройство роторов асинхронных двигателей. Короткозамкнутый ротор состоит из стального вала, цилиндрического сердечника, насаженного на вал ротора, короткозамкнутой обмотки и лопастей, осуществляющих вентиляцию машины.

Ротор асинхронного двигателя, как и роторы других электрических машин, удерживается с помощью боковых подшипниковых щитов, прикрепленных болтами к корпусу машины. Два боковых подшипниковых щита имеют центральные отверстия для подшипников, в которых вращается ротор. Сердечник ротора имеет вдоль поверхности продольные пазы, в которые укладывается обмотка, представляющая собой неизолированные медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко на торцах ротора двумя торцовыми кольцами. Если эту обмотку мысленно вынуть из стального цилиндрического сердечника ротора, то она будет выглядеть как беличья клетка. Следует отметить, что обмотка короткозамкнутого ротора не изолируется от сердечника из-за того, что между удельными сопротивлениями обмотки и стали сердечника имеется значительная разница и индуцированные в обмотке токи замыкаются в основном по ее стержням и торцовым кольцам.

В асинхронных двигателях средней и малой мощности короткозамкнутую обмотку ротора получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в продольные пазы сердечника. Вместе с обмоткой отливают также торцовые короткозамыкающие кольца и лопасти для вентиляции машины.

У двигателей с фазным ротором в продольные пазы сердечника ротора укладывают три одинаковые изолированные обмотки (фазы), выполненные по типу статорной обмотки, т. е. смещенные между собой в пространстве на 120° , причем концы фаз объединены в общую точку, образуя звезду, а начала присоединены к трем контактным кольцам, размещенным на валу.

С помощью щеток, прижимающихся к контактным кольцам, в каждую фазу обмотки ротора можно ввести добавочное активное сопротивление от трехфазного реостата. С увеличением активного сопротивления обмотки ротора уменьшается пусковой ток, т. е. облегчается пуск двигателя, а также увеличивается пусковой момент вплоть до максимального значения. Кроме того, изменяя с помощью реостата активное сопротивление цепей ротора, можно регулировать частоту вращения двигателя. Все это позволяет применять двигатели с фазным ротором для привода машин и механизмов, требующих при пуске больших пусковых моментов (компрессоры, грузоподъемные машины и др.).

По конструктивному выполнению двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с контактными кольцами. Они более надежны в работе, однако имеют сравнительно небольшой пусковой момент. Поэтому их применяют для привода машин, для которых не требуются большие пусковые моменты, а также машин и механизмов небольшой мощности. Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели выполняют также с короткозамкнутыми роторами.

В обмотке статора асинхронного двигателя при прохождении переменного тока возбуждается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них переменную э.д.с. Так как обмотка ротора замкнута, то наведенная э.д.с. вызывает в роторе ток. В результате взаимодействия проводников с током ротора и вращающегося магнитного поля возникает сила, заставляющая ротор вращаться в направлении вращения поля. Таким образом, принцип работы асинхронного двигателя основан на использовании взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого переменным током в обмотке статора и проводниками с током обмотки ротора. Так как вращение магнитного поля статора происходит асинхронно с вращением ротора двигателя, т. е. частоты вращения ротора и поля отличны, двигатель называют асинхронным.

На рисунке схематически показан северный полюс вращающегося магнитного поля, который перемещается по ходу часовой стрелки с частотой вращения (об/мин).

Допустим, в начальный момент ротор неподвижен и под северным полюсом находится один из проводников обмотки ротора. Движение полюса по часовой стрелке относительно этого проводника равносильно движению проводника при неподвижном полюсе против часовой стрелки. При таком направлении движения полюса, согласно правилу правой руки, наведенный в проводнике обмотки ротора ток направлен к читателю (отмечено точкой). По правилу левой руки находим, что на проводник ротора с током заданного направления действует электромагнитная сила, которая направлена в сторону вращения магнитного поля. Под действием этой электромагнитной силы ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, в котором вращается магнитное поле статора, но с несколько меньшей частотой.

При пуске асинхронного двигателя по мере разбега ротора разность частот вращающегося поля и ротора уменьшается. Однако ротор не может вращаться синхронно с полем, гак как при совпадении частот не будет относительного движения поля и ротора, вследствие чего ротор не будет пересекаться полем, в нем не будет наводиться ток и, следовательно, исчезнет вращающий момент. В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля и ротор как бы скользит вдоль поля.

Отношение разности частот вращения поля п0 и ротора и к частоте вращения поля называют скольжением:

, откуда

Часто скольжение выражают в процентах:

Скольжение с изменением нагрузки двигателя изменяется. Обычно у асинхронных двигателей нормального исполнения при номинальной нагрузке скольжение составляет 1 – 6 %. При неподвижном роторе S = 1, при синхронной скорости S = 0. Синхронная частота вращения может быть достигнута только путем вращения ротора асинхронного двигателя с помощью какого-либо постороннего двигателя. Если же частоту вращения ротора увеличить до частоты выше синхронной, то асинхронная машина перейдет в генераторный режим.

При генераторном режиме изменит направление электромагнитный момент, который станет тормозящим, причем при этом асинхронная машина, получая механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую, отдавая затем в сеть. Для генераторного режима и .

Если ротор асинхронного двигателя затормозить, а затем вращать его в сторону, противоположную направлению вращения поля, то асинхронная машина перейдет в режим электромагнитного торможения, так как электромагнитный момент направлен против вращения ротора и тормозит его. При тормозном режиме э.д.с. и активная составляющая тока в проводниках ротора направлены так же, как и при двигательном режиме, т. е. асинхронная машина получает из сети активную мощность. При этом режиме .

Итак, характерной особенностью асинхронных машин является наличие скольжения ( ).

На практике асинхронные машины в основном используют в двигательном режиме.

Направление перемещения вращающегося поля статора совпадает с последовательностью чередования фаз, т.е. для изменения направления вращения

двигателя достаточно поменять местами две фазы двигателя при подключении к сети.

Задание 3.

Для производственного механизма с заданным графиком нагрузки и частотой вращения приводного вала:

- выбрать трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

- определить способ соединения фаз статорной обмотки двигателя;

- вычертить схему управления;

- составить алгоритм функционирования схемы управления.

Напряжение сети 380 В; частотой вращения 750 об/мин;

схема управления − нереверсивная

Значения моментов нагрузки и времени их действия для производственного механизма

, с	, Н∙м	, с	, Н∙м	, с	, Н∙м	, с	, Н∙м	, с	, Н∙м

В соответствии с приведёнными значениями график нагрузки производственного механизма имеет вид представленный на рисунке

M, Н∙м

M1 (Mмах)

M2

M3

M4

M5

t, с

t1

t4

t5

t3

t2

Tц

Рисунок 4.

График нагрузки производственного механизма

Решение.

1. Определяем режим работы механизма.

Так как весь цикл двигатель находится под переменно нагрузкой, то режим работы двигателя S1 (длительный с постоянной или изменяющейся нагрузкой).

2. Выбор двигателя произведем по методу эквивалентного момента, который определяем по формуле:

	200 2 ∙ 10 + 30 2 ∙ 75 + 5 2 ∙ 50 + 100 2 ∙ 10 + 160 2 ∙ 10	= 72,945 Н∙м
10 + 75 + 50 + 10 + 10

Эквивалентная мощность составит:

72,945 ∙ 750 / 9550 = 5,73 кВт

Так как режим работы механизма длительный, то по условию и , по каталогу выбираем трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А160S8УЗ со следующими техническими данными:

- синхронная частота вращения 750 об/мин

- напряжение 380 / 220 В;

- номинальная (полезная ) мощность 7,5 кВт ( 5,73 кВт);

- номинальный КПД 86 %;

- номинальный коэффициент мощности 0,75;

- номинальное скольжение 2,5 %;

- относительный критический момент 2,2;

- относительный пусковой момент 1,4.

3. Произведем проверку двигателя на перегрузочную способность. Для этого определяем:

- номинальную частоту вращения

750 ∙ (1 – 0,025) = 731,25 об/мин

- номинальный момент

9550 ∙ 7,5 / 731,25 = 97,95 Н м

- критический момент

2,2 ∙ 97,95 = 215,49 Н м

Проверку проводим с учетом снижения напряжения на 10%, т.е. , т.е.:

0,81 ∙ 215,49 = 174,55 Н∙м < 200 Н∙м

Выбранный двигатель не удовлетворяет перегрузочной способности. Произведём подбор и расчет двигателя с большим значением номинальной мощности.

Выбираем трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А160М8УЗ имеющим следующие технические данные:

- синхронная частота вращения 750 об/мин

- напряжение 380 / 220 В;

- номинальная (полезная ) мощность 11,0 кВт ( 5,73 кВт);

- номинальный КПД 87 %;

- номинальный коэффициент мощности 0,75;

- номинальное скольжение 2,5 %;

- относительный критический момент 2,0;

- относительный пусковой момент 1,4.

Проверяем двигатель на перегрузочную способность:

750 ∙ (1 – 0,025) = 731,25 об/мин

9550 ∙ 11,0 / 731,25 = 143,66 Н м

2,0 ∙ 143,66 = 287,32 Н м

С учетом снижения напряжения на 10%, получаем:

0,81 ∙ 287,32 = 232,73 Н∙м > 200 Н∙м

Условие выполняется, следовательно, двигатель выбран правильно.

4. Определяем способ соединения фаз статорной обмотки двигателя.

Напряжение сети: 380 В. Фазное напряжение двигателя: 220В. Следовательно, фазы статорной обмотки двигателя должны быть соединены звездой.

5. Нереверсивная схема управления двигателем имеет вид, представленный на рисунке 5.

Схема работает следующим образом:

Пуск: замкнув рубильник Q, нажатием на кнопку S1 создается цепь питания обмотки контактора К1, якорь контактора притягивается к сердечнику, замыкаются главные контакты К 1.1 − К 1.3 контактора и происходит пуск двигателя. Одновременно замкнется контакт К1.4, который шунтирует кнопку S1.

Остановка: Для остановки двигателя следует нажать кнопку S2. При этом разомкнётся цепь питания обмотки контактора К1 и все контакты придут в исходное положение.

В схеме предусмотрена защита:

- от режима короткого замыкания предохранители F1 − F3;

- от длительных перегрузок тепловые реле КЗ и К4.

C3

C1

C2

K3.1

F1

K3

~

A

Q

K1.1 – 1.3

SB2

SB1

K1.4

K1

M

K2

B

C

F2

F3

K2.1

Рисунок 5.

Нереверсивная схема управления трехфазным АД с короткозамкнутым ротором.

Задание 4.

Описать работу (схемы включения, основные характеристики и применение) полупроводникового тиристора (VS).

Тиристоры относятся к классу четырехслойных полупроводниковых приборов, состоящих из четырех последовательно требующихся областей с проводимостью p- и n- типа.

Диодный тиристор (диод-тиристор, динистор) имеет выводы от двух крайних областей. Часто такие приборы называют также неуправляемыми переключающими диодами.

Триодный тиристор (триод-тиристор, тринистор) − это полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру типа p – n –p – n (или n – p – n –p), имеющую вывод от двух крайних областей и от одной внутренней (базовой) области. Такие приборы называют также управляемыми переключающими диодами.

Схематические изображения четырехслойных структур показаны на рисунке

Четырехслойные структуры диодного (а) и триодного (б) тиристоров.

В этих структурах крайние электронно-дырочные переходы называются эмиттерными, средний переход − коллекторным, внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n – областью, называется катодом, а с внешней p – областью − анодом. В триод-тиристорах с внутренней p – областью (p – базой) соединен управляющий электрод.

При изготовлении тиристоров кристалл со структурой p – n – p – n - типа припаивается на кристаллодержатель и герметизируется в металлическом корпусе. Конструктивное оформление тиристора практически не отличается от оформления обычного плоскостного диода.

Схема включения диод-тиристора имеет следующий вид.

Схема включения диод тиристора.

Из схемы видно, что средний (коллекторный) p –n -переход заперт обратным напряжением источника E. Однако при больших токах понижение высоты потенциального барьера оказывается настолько резким, что средний переход может оказаться отпертым. При этом падение напряжения на приборе резко падает, а следовательно, в вольт-амперной характеристике прибора появляется участок отрицательного сопротивления.

Для анализа работы тиристора четырехсложную структуру целесообразно представить в виде двух транзисторов типов p – n – p и n – p –n

Эквивалентная схема диод тиристора.

причем коллекторный ток транзистора p – n – p (Т1) одновременно является базовым током транзистора n – p –n (Т2), а коллекторный ток транзистора Т2 − базовым током транзистора Т1. Таким образом: и . При увеличении ЭДС источника инжектированные одним из эмиттеров основные носители зарядов пересекают область, где они являются неосновными, частично рекомбинируя в ней. Нерекомбинировавшие носители проходят через коллекторный переход и, оказавшись в области, для которой они являются основными, т. е. в слое базы сопряженного транзистора, понижают высоту потенциального барьера, способствуя инжекции зарядов из второго эмиттера, что ведет к увеличению общего тока прибора.

Небольшое приращение эмиттерного тока , транзистора Т1 вызывает некоторое приращение тока коллектора который, поступая в базу сопряженного транзистора, вызывает приращение: , где − коэффициент усиления по току транзистора Т2, включенного по схеме с общим эмиттером.

В свою очередь коллекторный ток увеличивается в исходном транзисторе на величину , где − коэффициент усиления по току транзистора Т1, включенного но схеме с общим эмиттером.

Таким образом, к концу первого цикла начальное приращение коллекторного тока исходного транзистора возрастает в раз. Далее процесс продолжается, и ток в контуре эквивалентных транзисторов лавинообразно возрастает.

Переход структуры p – n – p – n из непроводящего состояния в проводящее можно вызвать не только повышением напряжения внешнего источника, но и увеличением тока в одном из эквивалентных транзисторов. Для этого в тиристоре от одной из баз делают вывод (управляющий электрод). Меняя ток управляющего электрода, можно регулировать напряжение переключения, а следовательно, управлять работой прибора.

Типовая вольт-амперная характеристика диод-тиристора приведена на рисунке

Вольт-амперные характеристики (а) диодного и (б) триодного тиристоров.

Она может быть разбита на следующие основные области: I − область малого положительного сопротивления, соответствующая открытому состоянию прибора; II − область высокого отрицательного сопротивления; III − область обратимого пробоя среднего p – n-перехода; IV − непроводящее состояние (средний p – n-переход заперт внешним источником напряжения); V − область высокого сопротивления; VI − область лавинного необратимого пробоя.

Наличие в вольт-амперной характеристике прибора участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать диод-тиристор в различных электронных схемах. Кроме того, очевидно, что диод-тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях. Первое состояние характеризуется малым током, протекающим через прибор и большим падением напряжения на нем (участок IV). Второе устойчивое состояние соответствует малому падению напряжения на приборе и большому току, проходящему через пего (участок I).

Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля (или до отрицательного значения) или прерывания анодного тока. Управляющая цепь такого прибора выполняет только одну операцию − включение тиристора. Такой тип тиристоров является наиболее распространенным, эти тиристоры получили наименование одно операционных (или не запираемых).

Основные параметры тиристоров:

Напряжение включения − напряжение, при котором ток через прибор начинает резко нарастать.

Ток включения − ток, протекающий через прибор при приложенном к нему напряжении включения.

Ток выключения − наименьший ток через прибор, при котором он еще остается во включенном состоянии.

Ток управления − наименьший ток в цепи управляющего электрода тиристора, при котором прибор переходит из запертого состояния в открытое.

Ток утечки − ток через прибор в запертом состоянии при заданном напряжении.

Остаточное напряжение − прямое напряжение, соответствующее номинальному току через прибор в открытом состоянии.

Максимально допустимое прямое напряжение − максимальное значение прямого напряжения, которое можно длительно прикладывать к прибору.

Максимально допустимое обратное напряжение − максимальное значение обратного напряжения, которое можно длительно прикладывать к прибору.

Время включения − время с момента подачи отпирающего импульса, в течение которого напряжение на приборе уменьшается до 0,1 начального значения.

Время выключения − минимальное время, в течение которого на прибор должно подаваться запирающее напряжение для перевода прибора из открытого состояния в запертое.

Необходимо отметить, что параметры четырехслойных приборов могут сильно изменяться в интервале рабочих температур. Тиристоры имеют четко выраженные переключающие свойства, позволяющие использовать их в самых различных схемах автоматики и вычислительной техники. Также, что на основе четырехслойных переключающих приборов удалось создать фото тиристор − быстродействующий и высокочувствительный переключатель, управляемый светом.

Условное обозначение одно операционного триодного тиристоров

Главная область применения одно операционных тиристоров − энергетическая электроника, в области высоких мощностей тиристор является основным силовым управляемым прибором. Маломощные тиристоры используются и в импульсных схемах информационной электроники.

Помимо рассмотренного основного типа тиристоров, промышленность выпускает ряд разновидностей тиристоров:

Динистор − это тиристор без управляющего электрода. Он аналогичен обычному тиристору, у которого не подается сигнал на управляющий электрод. Для включения динистора к нему необходимо приложить напряжение . При приложении обратного напряжения динистор всегда заперт.

Симистор − многослойный переключающий прибор с симметричной ВАХ для прямого и обратного напряжений. Симистор может коммутировать ток любого направления и заменяет собой цепь из двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно.

Вольт-амперная характеристика симистора (а)
и встречно-параллельное включение двух тиристоров (б)

Двухоперационные (запираемые) тиристоры появились в конце 60-х годов. В этих приборах при подаче отрицательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. При разработке двухоперационных тиристоров встретились многочисленные трудности, однако в последние годы наметился большой прогресс в этой области и разработаны двухоперационные тиристоры на токи до 200 − 500 А и напряжения до 1000 − 2000 В. При этом их применение в энергетической электронике в области малых и средних мощностей становится все более широким.