Читайте также:
|
Асинхронные машины используются в основном как двигатели. Потребляют около электроэнергии. Недостатками: потребление из сети реактивного тока –, ограниченные возможности регулирования частоты вращения. Достоинства: надежны, просты в эксплуатации, высокий.
Асинхронные двигатели (АД) выпускаются для работы от однофазных, двухфазных и трехфазных сетей переменного тока. Используются в системах электропривода различного технологического оборудования, а так же как тяговые двигатели электротранспорта.
Максимальная мощность 8000 кВт.
Конструкция
Асинхронный двигатель состоит из двух частей: неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора.
Рис. 1.1. Поперечное сечение 1- сердечника статора и 2- сердечника ротора асинхронной машины
Сердечник статора закрепляется в корпусе, который крепится к фундаменту. Сердечник ротора крепится на валу. Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в торцевых подшипниковых щитах, которые крепятся к корпусу.
Трехфазная обмотка статора крепится в пазах сердечника статора. Основными параметрами обмотки являются: число фаз 
, число витков в фазе 
, обмоточный коэффициент 
.
Обмотка ротора так же может быть трехфазной. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором.
Другой разновидностью обмотки ротораявляется многофазная стержневая обмотка типа «беличья клетка». Для нее число фаз равно числу стержней 
, число витков в фазе 
, обмоточный коэффициент 
. Такая многофазная обмотка также является симметричной и уравновешенной.
Асинхронные машины, как правило, имеет воздушное охлаждение.
3. Режим синхронного вращения
Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе возникают при подключении к обмотке статора переменного трехфазного напряжения сети 
(комплексное действующее значение фазного напряжения АД) и появлением фазного тока 
. Частота напряжения и тока равна 
. При этом в зазоре машины возникает вращающееся гармонически распределенное по окружности зазора магнитное поле полюсного порядка 
.
Оборотная частота поля равна 
. Угловая скорость поля равна 
.
При асинхронном вращении ротора относительно поля в обмотке ротора индуцируются токи. Результирующее поле в машине определяется токами статора и ротора. Электромагнитный момент 
возникает при взаимодействии результирующего поля с токами ротора.
Нагрузкой асинхронного двигателя является статический тормозной момент 
, включающий момент приводного механизма 
и момент трения собственных вращающихся частей 
. Установившаяся скорость вращения ротора определяется равенством электромагнитного и статического момента.
В общем случае нагрузочные моменты являются функциями скорости вращения ротора.
Преобразование энергии в асинхронных машинах происходит при несинхронном вращении ротора и магнитного поля. Поэтому оборотную частоту 
или угловую скорость 
вращения ротора оценивают в относительных единицах, вводя понятие скольжения
.
Удобно начать описание физических процессов в асинхронной машине с режима синхронного вращения ротора. При синхронном вращении 
ЭДС индукции и тока в роторе не возникает. Преобразования энергии не происходит. Электромагнитные процессы в АД подобны процессам в трансформаторе при холостом ходе.
При синхронном вращении скольжение 
равно нулю.
Режим синхронного вращения еще называют идеальным холостым ходом АД при отсутствии момента трения вращающихся частей. Практическое осуществление такого режима возможно при подведении к валу механической мощности на покрытие потерь трения.
Пространственно-временная функция индукции в воздушном зазоре в режиме синхронного вращения от тока статора
,
- амплитуда волны индукции.
- амплитуда волны МДС,
- пространственно-временная функция МДС,
- ток фазы статора в режиме идеального холостого хода.
Здесь обозначено:
- радиальный размер воздушного зазора, 
- зубцовый коэффициент, 
- магнитная проницаемость воздуха, 
- коэффициент насыщения при синхронном вращении, - число последовательных витков в фазе статора, 
- обмоточный коэффициент, 
— пространственная угловая координата полюсного порядка 
, отсчитываемый от оси полюса. Здесь 
- геометрическая угловая координата, ; 
- полюсное деление, 
; 
- внутренний диаметр статора, 
- линейная координата по внутренней окружности статора.
Амплитуда пульсаций магнитного потока взаимоиндукции на ширине полюсного делении 
и длине активной зоны машины 
.
Действующее значение ЭДС самоиндукции в фазе статора
.
4. Режим нагрузки
Режим нагрузки можно с эксплуатационной точки зрения можно разбить на два режима: режим реального холостого хода при действии момента трения 
и отсутствии внешнего момента 
и режим с полезной нагрузкой 
. Объединим оба момента в статический момент сопротивления , направленный против вращения ротора АД. При скорости ротора меньше синхронной 
и скольжении 
, в обмотке ротора появляются фазная ЭДС индукции 
и фазный ток 
.
Частота или угловая частота ЭДС в роторе
, 
.
Выражая или 
через скольжение
или 
получим
или 
- частота или угловая частота ЭДС в роторе пропорциональна скольжению.
Действующее значение фазной ЭДС в роторе при частоте 
равно фазной ЭДС ротора 
при частоте , умноженной на скольжение.
- амплитуда результирующего потока взаимоиндукции в зазоре, образованного фазными токами статора и фазными токами ротора , 
- число последовательных витков в фазе ротора, 
- обмоточный коэффициент.
Действующее комплексное значение фазного тока в роторе при частоте
.
Индуктивное сопротивление фазы ротора от полей рассеяния при частоте , выраженное через индуктивность 
от полей рассеяния
равно индуктивному сопротивлению рассеяния 
при частоте , умноженному на скольжение.
Активное сопротивление фазы ротора 
примем не зависящим от частоты.
Фазовый угол между током и ЭДС 
.
Симметричная система токов в 
- фазной обмотке ротора, смещенных на 
временных радиан, образует пространственную - периодическую МДС ротора с комплексной амплитудой
.
Оборотная частота или угловая скорость вращения МДС ротора относительно самого ротора
или 
.
Оборотная частота или угловая скорость вращения МДС ротора относительно статора
или 
.
Поля статора и ротора имеют равное число пар полюсов , вращаются синхронно с равными скоростями 
и при любом скольжении, образуют результирующее вращающееся магнитное поле в зазоре АД.
Однако получение схемы замещения и векторной диаграммы АД возможно при равенстве частот токов в цепях статора и ротора. Поэтому для построения расчетной модели желательно привести электромеханические процессы в роторе к частоте 
Учитывая связь между частотами 
, запишем выражение для фазного тока ротора в виде
Полученное комплексное действующее значение тока 
равно по модулю и фазе току , однако имеет частоту ЭДС , а именно . Ток будет формировать МДС 
с угловой скоростью вращения относительно статора. Таким образом, магнитные поля от МДС 
и 
будут эквивалентны.
Физически ток может быть получен в асинхронной машине с заторможенным ротором при скольжении 
и переменном активном сопротивлении фазы ротора 
.
Приведенное по частоте активное сопротивление фазы ротора 
можно представить как сумму реального активного сопротивления ротора 
, постоянного при любом скольжении, и зависящего от скольжения (нагрузки двигателя) «механического» сопротивления 
.
Асинхронная машина с эквивалентным неподвижным ротором в электрическом отношении будет подобна трансформатору, работающему на активную нагрузку 
. При этом механическая мощность двигателя 
соответствует мощности электрических потерь на активном сопротивлении .
Аналогично трансформатору приведенный по частоте ток ротора и связанная с ним МДС стремятся изменить величину потока взаимоиндукции и баланс напряжений в фазе статора. Тогда в соответствии со вторым законом Кирхгоффа из сети начинает потребляться компенсационный ток 
, определяемый из условия компенсации МДС ротора
,
откуда
Компенсационный ток протекает по обмотке статора и имеет частоту . Ток ротора 
называется приведенным к статору по частоте и МДС током ротора. Коэффициент 
- коэффициентом приведения по току.
Угол 
во временных радианах будет равен углу в пространственно-временных радианах, на который волна (тока) поля ротора отстает от волны поля статора. При этом оба поля вращаются с синхронной скоростью.
Без учета электромагнитных явлений, связанных с электрическими потерями и полями рассеяния, первичный ток при нагрузке реального холостого хода двигателя стал бы векторной суммой тока идеального холостого хода при синхронном вращении и компенсационного тока статора, возникшего вследствие появления нагрузки
.
В действительности изменение тока статора увеличивает падения напряжений на активном и индуктивном от полей рассеяния сопротивлениях фазы статора. При постоянстве первичного напряжения снижается поток взаимоиндукции и намагничивающий ток 
.
Оставляя за обозначением , фиксированное значение намагничивающего тока при идеальном холостом ходе, меняющийся с изменением нагрузки ток намагничивания обозначим 
. Тогда, уравнение токов при произвольной нагрузке примет вид
Смысл этого уравнения остается прежним. Фазный ток статора можно представить векторной суммой тока намагничивания и приведенного тока ротора с обратным знаком, компенсирующего МДС ротора при нагрузке.
При синхронном вращении 
и
.
Магнитное поле в машине будет создаваться результирующей МДС
МДС 
Магнитное поле в воздушном зазоре
Определяется с учетом насыщения, в частности, из-за возросших полей рассеяния обмоток.
.
ЭДС в фазе статора и ротора от результирующего потока
.
Образование электромагнитного момента
Установившийся режим вращения с постоянной угловой скоростью ротора 
возникнет при равенстве электромагнитного момента и статического момента 
.
.
Рис. 3.1 Образование электромагнитного момента асинхронного двигателя
Активная составляющая тока ротора 
будет по направлению совпадать с ЭДС 
. Этой составляющей тока будет создаваться однонаправленный вращающий электромагнитный момент сил
, где 
Активная составляющая тока ротора 
создаст волну МДС
,
отстающую от волны результирующего поля статора по направлению вращения на 
пространственно-временных радиан.
Реактивная составляющая тока ротора 
при взаимодействии с потоком создаст силы, взаимно компенсирующие друг друга, и участвовать в создании электромагнитного момента не будет. Волна МДС от реактивного тока
будет в противофазе к волне МДС статора.
Асинхронная машина может работать также в режиме генератора со скольжениями 
и электромагнитного тормоза со скольжениями 
.
Рис. 3.2. Диапазоны скольжений при различных режимах работы асинхронной машины
5. Уравнения напряжений и токов
Уравнения приведенного асинхронного двигателя с заторможенным ротором аналогичны уравнениям приведенного трансформатора.
Здесь обозначены следующие комплексные фазные величины
- напряжение статора
- ЭДС статора и ротора от потока взаимоиндукции,
- намагничивающий ток статора,
, 
- ток статора и приведенный ток ротора,
- сопротивление намагничивающего контура,
, 
- сопротивление статора и приведенное сопротивление ротора (без учета поля взаимоиндукции),
- приведенное «механическое» сопротивление,
, 
- коэффициенты приведения параметров роторной обмотки по току и напряжению.
4.2 Т-образная схема замещения
Представленной математической модели электромагнитных процессов в асинхронной машине соответствует Т-образная схема замещения, показанная на рис. 4.1.
Рис. 4.1 Т-образные схемы замещения асинхронной машины
4.3 Векторная диаграмма
Векторная диаграмма асинхронного двигателя является графическим отражением комплексных уравнений и подобна векторной диаграмме трансформатора
Рис. 4.2. Векторные диаграммы асинхронного двигателя
5. Определение токов асинхронного двигателя при постоянных параметрах схемы замещения
5.1 Ток идеального холостого хода
При синхронном вращении со скольжением 
ток ротора равен нулю. Режим аналогичен холостому ходу трансформатора. В реальном асинхронном двигателе из-за потерь такой режим невозможен. Расчетный статорный ток идеального холостого хода из схемы замещения равен
.
Значение тока идеального холостого хода не зависит от нагрузки и скольжения.
5.2 Комплексный коэффициент 
.
При анализе электромагнитных процессов в трансформаторе и асинхронных машинах представляет интерес отношение комплекса подводимого напряжения к напряжению намагничивающей ветви 
в режиме идеального холостого хода, разделенных комплексным сопротивлением 
Модуль комплексного коэффициента 
равен отношению модулей напряжений, а аргумент разности между аргументом напряжения и напряжения .
5.3 Эквивалентное приведенное сопротивление роторного контура схемы замещения
.
5.4 Ток фазы статора
Потребляемый из сети ток статора 
5.5 Приведенный ток фазы ротора
Из Т-образной схемы замещения.
Из уравнения для токов
,
Откуда
Приведенный ток вторичной обмотки при нагрузке 
найдем из соотношения
тогда,
5.6 Ток ветви намагничивания при нагрузке
.
Электромагнитный момент и характеристики асинхронного двигателя
Образование электромагнитного момента.
Установившийся режим вращения с постоянной угловой скоростью ротора возникнет при равенстве электромагнитного момента и статического момента .
.
Рис. 3.1 Образование электромагнитного момента асинхронного двигателя
Активная составляющая тока ротора будет по направлению совпадать с ЭДС . Этой составляющей тока будет создаваться однонаправленный вращающий электромагнитный момент сил
, где
6.1 Механическая характеристика асинхронного двигателя
Электромагнитная и механическая мощности асинхронного двигателя из схемы замещения равны
Угловая скорость магнитного поля и угловая скорость ротора
Электромагнитный момент, развиваемый электромагнитными силами на роторе асинхронной машины, определяется равенством
.
Зависимость от скольжения называется механической характеристикой АД.
Электромагнитный момент асинхронной машины
- комплексный коэффициент.
Рис. 6.1. Механическая характеристика АД
Электромагнитный момент при любом значении скольжения пропорционален 
.
Критическое скольжение
Максимальный момент
не зависит от активного сопротивления фазы обмотки ротора 
, однако это сопротивление определяет значение 
, при котором достигается максимальное значение . У асинхронных двигателей нормального исполнения 
.
Номинальному моменту 
соответствует скольжение 
.
Пусковому моменту 
– скольжение 
.
Кратность максимального момента
Кратность пускового момента
Асинхронные двигатели имеют на рабочем участке жесткую механическую характеристику, то есть угловая скорость мало изменяется при нагрузке.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 265 | Нарушение авторских прав