Принцип действия асинхронного двигателя

Простейшим по своему устройству и самым распространенным является изобретенный М.О. Доливо-Добровольским асинхронный двигатель. Работа двигателя основана на принципе воздействия вращающегося магнитного поля на приспособленную для вращения короткозамкнутую обмотку.

Принципиально асинхронный двигатель состоит из неподвижной части - статора и вращающей части-ротора с соответствующей обмоткой. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра. В пазах с внутренней стороны этого сердечника уложены три обмотки (фазы), сдвинутые одна относительно другой на 120°.

Фазы обмотки статора А-х, В-у, С-z размещены равномерно по окружности статора, они соединяются в «звезду» или «треугольник» и подключаются к сети переменного трехфазного тока и возникающие в ней токи возбуждают вращающееся магнитное поле машины.

У подвижной части - ротора сердечник имеет форму цилиндра и закреплен на валу. В пазах на поверхности сердечника размещается обмотка ротора-короткозамкнутая. Обмотка ротора имеет вид цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, замкнутых на торцах двумя кольцами из того же материала. Такую обмотку называют «беличьим колесом». Стержни обмотки вставляются в пазы ротора без изоляции. Часто короткозамкнутая обмотка ротора изготавливается путем заливки расплавленным алюминием пазов сердечника с одновременным отливанием и замыкающих колец.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуктирует в них ЭДС. Под действием индуктированных ЭДС по проводникам ротора будет проходить электрический ток. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает электромагнитные силы, действующие на обмотку ротора. Суммарные действия этих сил создает вращающий момент, который приводит ротор во вращение в направление магнитного поля.

Величина ЭДС индуктированной в проводниках обмотки ротора, зависит от частот их пересечения вращающимся магнитным полем, т.е от разности частот вращения магнитного поля n₁ и ротора n₂. Чем больше разность (n₁-n₂), тем больше величина ЭДС.

Частота вращения ротора n₂ будет всегда меньше синхронной частоты n₁, т.е ротор всегда отстает от поля статора. Разность между частотами поля статора n₁ и поля ротора n₂ называется частотой скольжения ∆n.

∆n= n₁- n₂

Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающегося момента является неравенство частот вращения n₁ и n₂. Только при этом условии в обмотке ротора индуктируется ЭДС и возникает ток ротора. По этой причине машина называется асинхронной (Ротор ее вращается несинхронно с полем).

Скольжение

Чтобы охарактеризовать отставание частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля, введено понятие скольжение. Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением. Скольжение S выражают в процентах от частоты вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение, определяется формулой;

Направление вращения ротора асинхронного двигателя определяется направлением вращения его магнитного поля, а направление вращения магнитного поля обуславливается последовательностью фаз (А, В, С) трехфазной сети. Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка поступления импульсов тока в отдельные обмотки. Например: если импульсы тока будут поступать в обмотки статора в следующем порядке: фаза А, фаза В, фаза С, то ротор двигателя будет вращаться по часовой стрелки. Если изменить порядок поступления импульсов тока и подавать их в последовательности: фаза В, фаза А. фаза С, то ротор двигателя начнет вращаться против часовой стрелки.

При пуске двигателя в Ход вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью и индуктирует в ней значительную ЭДС (Е₂), которая создает в коротко замкнутом роторе большой пусковой ток. Соответственно и в обмотке статора также возникает значительный пусковой ток.

По мере того, как скорость ротора возрастает, уменьшается Е₂, индуктируемая в нем ЭДС, а вместе с ней уменьшаются токи ротора и статора. В конце пуска ненагруженного двигателя сила тока ротора должна быть такой, чтобы вращающий момент, развиваемый двигателем покрывал все его механические потери от трения в подшипниках.

Если нагрузить уже вращающийся асинхронный двигатель, то механический тормозящий момент на валу двигателя сначала окажется больше вращающего момента и ротор уменьшит скорость вращения n₂. Соответственно возрастает разность скоростей (n₁-n₂), т.е увеличится скольжение.

Вращающиеся поле будет пересекать ротор с относительно большой скоростью и индуктировать в роторе большую ЭДС (Е₂). Возрастание ЭДС (Е₂) вызовет увеличение тока в роторе. Пропорционально силе тока в роторе возрастет вращающий момент и уравновесит тормозящий момент нагрузки на валу двигателя. Одновременно увеличение силы тока ротора вызовет соответствующее повышение силы тока статора, в результате возрастет и потребление мощности двигателя из сети. Таким образом с увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает скольжение, сила тока статора и потребление мощности двигателя из сети.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется:

, об/мин.

При пуске асинхронной тяговой машины необходимо регулировать уровень и частоту трехфазного напряжения, питающего его обмотки, которое осуществляется трехфазным автономным инвертором напряжения.

На вагонах 81-740.1, 81-741.1 установлены тяговые двигатели типа ДАТЭ-170-4. Двигатель самовентилируемый, четырехполюсный, трехфазный асинхронный с короткозамкнутым ротором.

Технические данные:

1. Номинальная мощность – 170 кВт;

2. Номинальная частота – 43 Гц;

3. Частота вращения (синхронная) – 1290 об/мин;

4. Максимальная частота вращения – 3600 об/мин;

5. Номинальное напряжение – 530 В;

6. Номинальное скольжение – 1,6 %;

7. Коэффициент мощности, cosφ – 0,85;

8. Масса двигателя – 805 кг.

Двигатель состоит из статора, ротора, вентилятора, подшипниковых щитов. Общий вид двигателя представлен на рис.18.

Рис.18

(а) (б)

Рис.19

Статор (рис.19,а) двигателя состоит из литой станины зашихтованного листами из электротехнической стали, сердечника и обмотки. В пазы статора уложены двухслойная обмотка, выполненная жесткими секциями и закрепленная в пазах изоляционными клиньями.

Схема соединений обмотки статора выполнена со стороны, противоположной выступающему концу вала ротора. К боковой поверхности станины приварена коробка выводов для крепления трех выводных концов обмотки, соединенной в «звезду».

Ротор (рис.19,б) состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки ротора. Шихтованный сердечник из электротехнической стали насаживается на вал, в неизолированные пазы сердечника вставляются медные стержни. Концы медных стержней, выступающие из сердечника ротора, замкнуты на коротко приваренными к ним медными кольцами.

Щиты подшипниковые стальные, вставляются в расточку станины и крепятся к ней болтами. В щиты устанавливаются подшипники: роликовый со стороны приводного конца вала типа 32313 и шариковый с противоположной стороны типа 180313С17. С наружной стороны подшипники закрыты крышками.

Для охлаждения двигателя со стороны привода на вал насажен вентилятор. В корпусе статора предусмотрены два отверстия для слива конденсата образующегося при работе двигателя. Для прохождения охлаждающего воздуха через двигатель в станине со стороны привода и в подшипниковом щите со стороны противоположной приводу предусмотрены отверстия, которые закрыты крышками с металлическими сетками.

Двигатель поставляется с зубчатым колесом. Датчик частоты вращения должен устанавливаться в специально предусмотренном алюминиевом корпусе, прикрепленном к подшипниковому щиту.

Тяговые двигатели установлены на первой и третьей тележках по два на каждую.

Обмотки четырех тяговых двигателей соединены параллельно и питаются от одного автономного инвертора. Напряжение на инвертор подается от сети постоянного тока 750В через быстродействующий выключатель и входной LC- фильтр. Напряжение с выхода инвертора поступает непосредственно на трехфазную систему сборных шин, к которой подключены четыре тяговых двигателя.

На каждом двигателе установлено устройство (датчик частоты вращения) для измерения числа оборотов. Информация о числе оборотов вводится в схему управления автономным инвертором, которая обеспечивает регулирование напряжения и частоты тока обмоток асинхронных машин по определенному закону. Этот закон формируется при выборе машинистом рукояткой контроллера машиниста того или иного пускового положения. В начале пуска асинхронных машин транзисторные ключи переключаются с частотой 1-2 Гц. При этом к обмотке статора асинхронных машин подводится напряжение, составляющее 2-5 % напряжения контактной сети. Регулирование подводимого напряжения обеспечивается путем изменения ширины импульса при постоянном значении периода (широтноимпульсная модуляция ШИМ).

По мере разгона вагона, постепенно повышается напряжение на обмотках статора асинхронных машин и увеличивается частота тока в них (повышается частота работы транзисторных ключей, импульсы управления, на которые начинают поступать чаще).

Для подавления высших гармоник в кривых фазового тока, содержание которых зависит от частоты импульсной модуляции, разности между напряжением на нагрузки и напряжением контактной сети, режимы работы привода, на входе автономного инвертора установлен LC-фильтр. Поэтому из цепи источника питания потребляется почти постоянный ток.

Переход из режима тяги в режим торможения осуществляется путем отключения линейного контактора (ЛК) и изменения частоты работы инвертора в сторону уменьшения. При этом тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а импульсный инвертор выполняет функции управляемого выпрямителя. Для согласования мощности асинхронных машин в режиме торможения с установленной мощностью автономного инвертора в цепь обмоток асинхронных машин включен тормозной резистор. На этом резисторе рассеивается часть тормозной энергии в диапазоне высоких скоростей торможения.

При отсутствии в сети потребителей, рекуперируемая электрическая энергия через тормозной преобразователь поступает в дополнительные тормозные резисторы и рассеивается в них.

Дата добавления: 2015-09-06