Асинхронные машины

Лекция от 30.03.2020 Тема: Асинхронные машины. Асинхронные машины (АМ) в силу ряда достоинств: – простые и дешёвые в производстве, – надёжные и экономичные, – нетребовательные в эксплуатации (отсутствие трущихся контактов); получили самое широкое распространение. Основной парк АМ (около 80 %) составляют асинхронные двигатели. Генераторы, вследствие сильной зависимости частоты вырабатываемой ЭДС от нагрузки, используются редко,и то – в качестве электромеханических преобразователей: тахометров, акселерометров, фазовращателей и др. Устройство Асинхронные машины относятся к категории неявнополюсных машин, т.е. ни на статоре, ни на роторе нет явно выраженных полюсов, а обмотки статора и ротора равномерно распределены в пазах по внутреннему периметру статора и внешнему периметру ротора. Ротор и статор размещаются соосно с минимально возможным по условиям производства и эксплуатации воздушным зазором. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора составляет около 0,5 мм, с ростом мощности и габаритов машины величина зазора увеличивается. Конструкция асинхронной машины показана на рисунке. 1 – вал; 2,6 – подшипники; 3,8 – подшипниковые щиты, 4 – лапы, 5 – кожух вентилятора, 7 – крыльчатка вентилятора, 9 – короткозамкнутый ротор, 10 – статор, 11 – коробка выводов. Магнитопровод статора представляет собой полый цилиндр, набранный (для снижения потерь на вихревые токи) из отдельных изолированных лаком листов холоднокатаной электротехнической стали. В открытые или полузакрытые пазы магнитопровода укладывается трехфазная обмотка, включаемая по схеме «звезда» или «треугольник». Начала обмоток обозначают С1, С2, С3; концы – С4, С5, С6. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. Несущие части статора это станина, в которую устанавливается магнитопровод, и подшипниковые щиты для поддерживания вала. Магнитопровод ротора также выполняется шихтованным с изоляцией пластин путем их оксидирования. По типу обмоток роторы могут быть короткозамкнутыми и фазными. Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. Обмотка типа «беличья клетка» имеет вид стержней, уложенных или залитых в расплавленном состоянии в закрытые пазы. Концы стержней с обоих торцов соединены накоротко кольцами из того же материала, что и обмотка. В машинах мощностью до 100 кВт обмотка выполняется путем заливки алюминием. В более мощных машинах применяется медная сварная обмотка. Число фаз короткозамкнутой обмотки ротора равно половине числа пазов. Фазный ротор имеет такой же сердечник, но в пазы укладывается традиционная двухслойная трехфазная обмотка, которая практически не отличается от обмотки статора. Обмотки обычно соединяют по схеме «звезда». Концы с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводят наружу с возможностью подключения к внешней цепи. Число полюсов и фаз фазной обмотки ротора равно числу полюсов и фаз статорной обмотки. Выводы роторных обмоток обозначают Р1, Р2, Р3. Для специальных АМ конструкции статора и ротора могут несколько отличаться (об этом позже в соответствующем разделе). Принцип действия В асинхронных машинах якорем является ротор, а возбудителем – статор. При подключении статорной обмотки к симметричной системе трехфазных ЭДС в рабочем воздушном зазоре машины создается круговое вращающееся магнитное поле Ф1. Скорость или частота вращения поля: 60𝑓𝑓1 2𝜋𝜋𝑓𝑓1 −1 𝑛𝑛1 = , об/мин или 𝜔𝜔1 = ,с 𝑝𝑝 𝑝𝑝 где р – число пар полюсов обмотки статора, f1 – частота питающего напряжения. Магнитный поток Ф1, пересекая витки роторной обмотки индуцирует в ней ЭДС Е2. Обмотка ротора замкнута, и в ней начинает протекать многофазный ток I2, который создает свое вращающееся поле Ф2. Потоки ротора и статора вращаются синхронно в одну и ту же сторону, но, согласно правилу Ленца, направлены встречно. В результате наложения неподвижных друг относительно друга магнитных потоков Ф1 и Ф2 образуется результирующий поток Фо, взаимодействие которого с током I2 приводит к появлению электромагнитной силы (закон Ампера) и вращающего момента. Ротор станет вращаться в сторону вращения магнитного поля, при этом частота вращения n ротора должна отличаться от частоты вращения магнитного поля n1. В противном случае вращающееся магнитное поле Фо стало бы неподвижным относительно 𝑑𝑑Ф обмоток ротора. В них не индуцировалась бы ЭДС 𝑒𝑒2 = −𝑊𝑊2 0 и ток I2 , а вращающий момент 𝑑𝑑𝑑𝑑 стал бы равен нулю. Отсюда и название машины – асинхронная, т.е. несинхронная, n ≠ n1. Относительную разность скоростей вращения ротора n и магнитного поля статора n1 называют скольжением. 𝑛𝑛1 − 𝑛𝑛 𝑛𝑛 (2) =1− 𝑛𝑛1 𝑛𝑛1 Скольжение выражают либо в десятичных дробях, либо в процентах. Для большинства АМ общего применения рабочее скольжение составляет 0,015...0,06 (или 1,5...6 %). 𝑠𝑠 = В зависимости от величины скольжения асинхронная машина может работать в следующих режимах: Генератор Двигатель Электромагнитный тормоз –∞ < s < 0 0 0). Здесь выполняется условие саморегулирования вращающего момента. Так, если момент нагрузки увеличится, ротор подтормозится, а скорость вращения магнитного поля относительно витков обмотки ротора возрастет. Как результат, возрастут ЭДС E2 и ток в роторных обмотках, что приведет к расту вращающего момента. После переходного процесса, момент вращения уравновесит момент нагрузки, и дальнейшее вращение будет происходить с постоянной несколько меньшей начальной скоростью. Участок В – С (dn/dM > 0, dM/ds < 0) является неустойчивым и называется участком «опрокидывания двигателя». Здесь, при росте момента нагрузки двигатель форсированно остановится. Работа на этом участке невозможна. Запас устойчивости машины или ее перегрузочную способность оценивают по кратности максимального момента: kM = Мm/Мн. Согласно ГОСТ на электрические машины для короткозамкнутого двигателя должно соблюдаться условие, kM = 1,65… 2,5. Динамику разгона двигателя при пуске оценивают по кратности пускового момента: kП = Мп/Мн . Для асинхронных двигателей она невысока и в среднем составляет kП = 0,9…1,2. Степень уменьшения скорости вращения на рабочем участке при нагружении называют жесткостью механической характеристики. Чем мощнее двигателя, тем жестче его механическая характеристика. Скольжение, при котором двигатель развивает максимальный момент (точка В), находясь при этом на границе устойчивости, называют критическим. Формулу для него можно получить, приравняв производную dM/ds нулю. 𝑠𝑠кр = ± 𝑟𝑟2′ �𝑟𝑟12 + 𝑥𝑥к2 ≈± 𝑟𝑟2′ . 𝑥𝑥к Знак «+» относится к двигательному, знак «–» – к генераторному режиму. Типовое значение критического скольжения составляет 0,08…0,2. Чем меньше критическое скольжение, тем жестче механическая характеристика. Максимальный (критический) момент АМ (при s = sкр): 𝑚𝑚1 𝑝𝑝𝑈𝑈12 𝑚𝑚1 𝑝𝑝𝑈𝑈12 =± 2 2 𝑀𝑀𝑚𝑚 = ± 4𝜋𝜋𝑓𝑓1 𝑥𝑥к 8𝜋𝜋 𝑓𝑓1 𝐿𝐿к На практике для графического построения механической характеристики пользуются упрощенной формулой, называемой формулой Клосса: 2𝑀𝑀𝑚𝑚 𝑀𝑀 = 𝑠𝑠 𝑠𝑠кр + 𝑠𝑠кр 𝑠𝑠 Формула Клосса применяется при решении вопросов, связанных с асинхронным электроприводом. Пользуясь формулой можно построить график механической характеристики по паспортным данным асинхронного двигателя и определить критическое скольжение по указанной в паспорте перегрузочной способностью: 2 𝑠𝑠кр = 𝑠𝑠н �𝑘𝑘𝑀𝑀 + �𝑘𝑘𝑀𝑀 − 1�. Вопросы управления асинхронным двигателем. Здесь будут рассматриваться задачи пуска в ход, реверсирования, электрического торможения, а также регулирование скорости вращения двигателя при постоянном моменте или регулирование момента при постоянной скорости.