Асинхронные машины относятся к машинам переменного тока. Асинхронные машины могут работать в режиме двигателя, в режиме генератора, в режиме электромагнитного тормоза, в режиме короткого замыкания –

- Раздел 1 -

Асинхронные машины относятся к машинам переменного тока. Асинхронные машины могут работать в режиме двигателя, в режиме генератора, в режиме электромагнитного тормоза, в режиме короткого замыкания – это определяется их назначением. Но чаще всего их используют в качестве двигателей. Об асинхронных двигателях (АД) здесь и пойдёт речь.

АД питается от сети переменного тока, получает мощность (полная или кажущаяся мощность). На выходе посредством вращающегося вала АД отдаёт полезную механическую мощность .

Обычно АД имеет КПД в диапазоне от 80 до 95%.

Формула связи мощности и мощности : . (2)

Коэффициент мощности АД в номинальном режиме лежит в пределах 0.75÷0.95.

Формула связи полной мощности и активной мощности , получаемой АД из сети: . (1)

Рассмотрим принцип действия АД. Обмотка статора АД подключается к сети переменного тока. По ней протекает ток, создаются МДС и вращающееся (с частотой сети ) магнитное поле. Его линии проходят через статор, через воздушный зазор, через ротор и замыкаются через полюс другой полярности. Магнитное поле пересекает проводники ротора, и в них наводится ЭДС (по закону электромагнитной индукции ) и начинает протекать переменный ток (пока что с частотой сети). На эти проводники действует сила Ампера (её модуль ). Так возникает электромагнитный момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Ротор разгоняется до скорости , которая несколько меньше, чем скорость вращения поля токов статора . Получается, что ротор «отстаёт» от поля статора. Это и обуславливает слово «асинхронный» в названии двигателя. Стоит заметить, что сам принцип действия не позволяет ротору достичь скорости вращения магнитного поля. Если бы такое произошло, то в его обмотке перестала бы наводиться ЭДС (ведь по закону электромагнитной индукции ЭДС наводится только при изменяющемся во времени потокосцеплении), и ротор опять вышел бы из синхронизма.

Чтобы описать степень отставания ротора от вращающегося поля используют относительную величину - скольжение: . (3)

Через скольжение можно найти частоту тока в обмотке ротора: . (4)

Формула для связи частоты вращения магнитного поля и частоты тока сети: [об/мин]. (5)

Здесь - число пар полюсов машины.

Когда скольжение находится в пределах , асинхронная машина работает в генераторном режиме, то есть отдаёт энергию в сеть, а ротор её вращается приводным двигателем.

Режим, когда скольжение равно нулю , называется режимом идеального холостого хода. Для двигателя он недостижим в силу наличия потерь и в силу противоречия самому принципу работы асинхронного двигателя (). Для генератора этот режим бесполезен, потому что при в обмотке статора не индуцируется ЭДС и машина не совершает полезной работы. КПД такой машины равно нулю.

Режимом холостого хода называется режим, когда на обмотку статора подано номинальное напряжение, а механическая нагрузка к валу ротора не подключена. Скольжение в этом режиме меньше номинального, а электрическими потерями в роторе можно пренебречь в силу того, что развиваемая на роторе мощность практически равна нулю.

Режим, при котором , называется двигательным. Это основной режим работы для асинхронных машин.

Если скольжение равно единице , машина либо вообще не работает, либо находится в режиме короткого замыкания. На обмотку статора подано напряжение, а ротор заторможен и не может прийти во вращение. Этот режим используется в некоторых специальных асинхронных машинах, например в фазовращателях.

Когда скольжение лежит в пределах , асинхронная машина является электромагнитным тормозом. Приводной двигатель вращает ротор против направления, в котором стремится вращать его магнитное поле тока обмотки статора. Соответственно это магнитное поле и является тормозом для двигателя, вращающего ротор.

Важное замечание! В силу своего принципа действия в любом режиме работы является потребителем реактивной мощности, необходимой для создания главного вращающегося магнитного поля и полей рассеяния.

- Раздел 2 -

Рассмотрим принцип действия АД с точки зрения преобразования энергии в АД.

Из сети потребляется активная мощность . (6) (Здесь - число фаз обмотки статора). Часть этой мощности тратится на потери в стали статора (магнитные потери) и на электрические потери в обмотке статора . (7)

Разность потребляемой активной мощности и потерь в статоре называется электромагнитной мощностью, от неё зависит вращающий момент, действующий на обмотку ротора: . (8)

Часть электромагнитной мощности расходуется на электрические потери в обмотке ротора . (9) и на создание механической мощности . (10)

Если вычесть из механической мощности потери на трение и другие добавочные потери (магнитные потери в роторе, вентиляционные и др.), получим полезную мощность . Расширим формулу для КПД: . (11)

Потери мощности в асинхронной машине можно разделить на три группы: 1) - потери постоянные, не изменяющиеся от нагрузки (механические потери и магнитные матери); 2) - потери, пропорциональные току (электрические потери в щёточной контакте у машин с фазным ротором); 3) - потери, пропорциональные квадрату тока (электрические потери в обмотках). Коэффициент нагрузки машины равен отношению нагрузки машины к её номинальной мощности и при неизменных частоте вращения, напряжении сети и равен отношению действующего тока к номинальному. КПД машины можно выразить так: . Чтобы найти условия, при котором КПД будет достигать своего максимума, приравняем нулю производную этой функции: . Отсюда видно, что при номинальной мощности машина имеет наибольший КПД, если = , то есть при равенстве электрических потерь в обмотках сумме магнитных и механических потерь: = + .

- Раздел 3 -

Рассмотрим процесс пуска АД и его механическую характеристику (см. рисунок 1).

Рисунок 1.

В момент пуска АД скорость вращения ротора , и скольжение . По отмотке ротора начинает протекать ток, частота которого сначала равна частоте тока статора, но с уменьшением скольжения уменьшается обратно пропорционально ему: . По обмотке ротора протекает пусковой ток, в несколько раз больший номинального. Его стремятся уменьшить для уменьшения электрических потерь в обмотке ротора и для избегания перегрева в ней же.

Одним из способов уменьшения тока является пуск двигателя при пониженном напряжении, подаваемом на обмотку статора. Так называемый пуск звезда-треугольник (У/Д). (См. рисунок 2). Допустим, номинальное фазное напряжение обмотки статора 380 В. При этом обмотка статора соединена в звезду. Если же обмотку статора соединить в треугольник, при том же фазном напряжении сети (220 В) фазное напряжение на обмотке будет уже в раз меньше, т.е. 220 В.

Рисунок 2.

Однако пуск звезда-треугольник не всегда можно применить, и вот по какой причине. Двигатель должен иметь достаточный пусковой момент. Обычно он на 10-30% больше номинального. Так как момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату напряжения , даже небольшое снижение напряжения приводит к достаточно сильному уменьшению момента. (Например, уменьшая в раз фазное напряжение обмотки статора, мы уменьшаем в 3 раза момент, развиваемый двигателем).

Продолжим рассмотрение работы АД. АД «движется» по механической характеристике влево, пересекает точку критического скольжения (когда момент максимален), затем момент уменьшается до номинального.

Рассмотрим, как будет вести себя АД при уменьшении или увеличении нагрузки на валу.

Допустим, нагрузка увеличилась. Это значит, что вырос момент сопротивления, и двигатель должен развивать бо́льший вращающий момент для его преодоления. Точка работы двигателя сместится по механической характеристике вправо, в область бо́льших скольжений. Увеличения скольжения означает бо́льшую разность скоростей магнитного поля токов статора и вращения ротора. Это в свою очередь означает что в обмотке ротора будет наводиться бо́льшая ЭДС, частота которой, кстати, увеличится пропорционально скольжению. Вместе с увеличением момента увеличится электромагнитная мощность (). Так же увеличатся токи, протекающие по обмоткам статора и ротора. Увеличится потребляемая из сети мощность. Из-за повышенных токов возрастут потери, и уменьшится КПД машины. Из-за возрастания величины потребляемой активной мощности и при практически не изменившейся потребляемой реактивной мощности возрастает коэффициент мощности .

При уменьшении нагрузки всё будет наоборот.

Стоит помнить, что при уменьшении или увеличении нагрузки не меняется механическая характеристика машины, а точка работы смещается по ней влево или вправо.

Рассмотрим, как будет вести себя АД при введении в цепь ротора добавочных сопротивлений. Как можно видеть из рисунка 3, при введении таковых меняется механическая характеристика машины – растягивается вправо.

Рисунок 3.

Взглянем на выражение для механической характеристики:

. (12)

Здесь символизирует активное сопротивление обмотки ротора. Для определения критического скольжения производную выражения механической характеристики приравнивают нулю: . Решением этого уравнения будут 2 корня (один для двигательного режима, другой – для генераторного) . (13)

Отсюда видно, что критическое скольжение тем больше, чем больше активное сопротивление роторной обмотки (и сопротивление добавочных резисторов) и не зависит от поданного напряжения питания, а определяется лишь параметрами индуктивных и активных сопротивлений асинхронной машины.

Добавочные сопротивления в цепь ротора могут вводиться для увеличения пускового момента, уменьшения пускового тока и для регулирования скорости вращения ротора путём смещения рабочей точки.

- Раздел 4 -

Рассмотрим Т-образную схему замещения (СЗ) асинхронной машины. С помощью СЗ можно рассчитать любые режимы работы, в том числе те, которые могут быть опасны для машины (короткое замыкание) или труднодостижимы (идеальный холостой ход). Можно рассчитать пусковые характеристики: ; можно рассчитать рабочие характеристики: ; можно рассчитать КПД машины и рассчитать составляющие потерь.

Но прежде, чем ввести СЗ, необходимо сделать несколько допущений:

■ Во-первых, в СЗ электрически соединены первичная (1-я) и вторичная (2-я) цепи. В реальности же электрически они не связаны, а взаимодействуют друг с другом посредством своих магнитных полей.

■ Во-вторых, вращающийся ротор приходится заменять эквивалентным неподвижным. Это обусловлено тем, что в случае вращающегося ротора частоты токов 1-й и 2-й обмоток не равны, и, как следствие, становится невозможным изображение 1-х и 2-х электрических величин на одной общей ВД. Единственным существенным отличием неподвижной машины будет то, что в ней не происходит преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Поэтому при переходе к неподвижной машине механическая мощность должна быть представлена равной ей электрической мощностью. (Подробнее про это см. ниже).

■ В-третьих, из-за различных порядков токов и напряжений на 1-й и 2-й обмотках, приходится выполнять операцию приведения (см. ниже). Векторная диаграмма (ВД) строится для приведённых значений токов, напряжений и сопротивлений.

■ В-четвёртых, в-пятых и в-шестых, с помощью рассматриваемой ниже СЗ можно рассчитать только установившийся режим работы, нельзя учесть эффект насыщения и эффект вытеснения тока.

Рисунок 4.

На рисунке 4 изображена Т-образная СЗ асинхронной машины. Её уравнения:

; (14)

; (15)

; (16)

- напряжение, подводимое к обмотке статора;

- ток, протекающий по обмотке статора;

- приведённый ток, протекающий по обмотке ротора;

- намагничивающий ток;

- активное сопротивление обмотки статора, соответствует электрическим потерям в обмотке статора ;

- индуктивное сопротивление обмотки статора, символизирует поток рассеяния обмотки статора;

- приведённое активное сопротивление обмотки ротора, соответствует электрическим потерям в обмотке ротора ;

- приведённое индуктивное сопротивление обмотки ротора, символизирует поток рассеяния обмотки ротора;

сумма называется приведённым сопротивлением неподвижного ротора;

- приведённое активное сопротивление, соответствующее механической мощности, развиваемой на роторе ;

- активное сопротивление намагничивающей цепи, посредством которого учитываются магнитные потери в сердечнике статора ;

- реактивное сопротивление намагничивающей цепи, символизирует главный поток в воздушной зазоре.

Сумма сопротивлений и образует сопротивление , с помощью которого можно определить электромагнитную мощность .

Сопротивления и получаются преобразованием параллельного соединения сопротивлений (первичное главное собственное индуктивное сопротивление, учитывающее основную гармонику магнитного поля в воздушном зазоре) и (активное сопротивление такого значения, что потери в нём будут равны магнитным потерям в сердечнике статора на одну фазу, т.е. )

Т-образная схема замещения полностью отражает физические процессы, происходящие в асинхронной машине (АМ), но она имеет узловую точку между сопротивлениями и , что усложняет расчёт токов при различных значениях скольжения. Поэтому на практике чаще применяют другую – Г-образную СЗ.

Рассмотрим операцию приведения вращающегося ротора к эквивалентному неподвижному. Вращающийся ротор приходится заменять эквивалентным неподвижным по следующей причине: имеется возможность применить СЗ (и, кроме того, изобразить векторную диаграмму) только, если частоты токов и напряжений первичной и вторичной обмоток будут равны. В противном случае такой возможности нет. Вращающийся ротор приходится заменять эквивалентным неподвижным, чтобы при частота тока в обмотке ротора равнялась частоте тока в обмотке статора .

Приходится вводить следующие поправки:

Значение ЭДС , индуцируемой магнитным потоком в фазе вторичной обмотки при неподвижном роторе, заменяется на ЭДС при том же потоке, но при любом скольжении. При этом . Аналогичным образом индуктивное сопротивление рассеяния заменяется на - значение этого сопротивления при любом скольжении. Получается, что . В итоге получаем эквивалентное сопротивление вторичной цепи . В схеме замещения сопротивление делят на два сопротивления: и .

Рассмотрим операцию приведения обмотки ротора к обмотке статора. Представить это можно так: реальная вторичная обмотка заменяется приведённой, которая устроена так же, как и первичная обмотка, и имеет с нею одинаковые числа фаз и витков в фазе, а так же одинаковый обмоточный коэффициент первой гармоники. Вводятся следующие коэффициенты:

Коэффициент трансформации (приведения) ЭДС и напряжений , где - коэффициент скоса пазов.

Коэффициент трансформации (приведения) токов . Для короткозамкнутой обмотки в виде беличьей клетки , , , - ток стержня.

Коэффициент трансформации (приведения) сопротивлений

На рисунке 5 изображена СЗ для режима холостого хода. Ротор вращается со скольжением практически равным нулю () и ЭДС в обмотке ротора, которая пропорциональна скольжению (), не наводится. Соответственно и ток в обмотке ротора , поэтому ветвь вторичной обмотки можно убрать из схемы замещения.

Рисунок 5.

На рисунке 6 изображена СЗ для режима короткого замыкания. В этом режиме ротор удерживается в неподвижном состоянии (, ) и не совершает полезной механической работы (). В тоже время сопротивление, соответствующее механической мощности, . Таким образом сопротивление схемы замещения определяется сопротивлением и параллельно включенными и . Учитывая, что , можно пренебречь ветвью с , и схема примет указанный выше вид.

Рисунок 6.

- Раздел 5 -

Рассмотрим рабочие характеристики АД. К рабочим характеристикам относятся зависимости активной потребляемой мощности, полного тока обмотки статора, коэффициента мощности, КПД и скольжения от полезной механической мощности (см. рисунок 7).

Рисунок 7.

Начнём с самого простого – со скольжения. Увеличение полезной мощности означает увеличение момента сопротивления, а это означает движение вправо по механической характеристике – увеличение скольжения и электромагнитного момента. Электромагнитный момент, как известно, прямо пропорционален электромагнитной мощности , которая является одной из составляющих потребляемой активной мощности (). Вместе с потребляемой мощностью растёт и значение тока в обмотке статора. Стоит отметить, что при большей мощности рост и проявляется сильнее. КПД в свою очередь сначала растёт активно из-за того, что при режимах, близких к холостому ходу темпы прироста полезной мощности опережают темпы роста потерь. Потом ситуация меняется, растут электрические потери в роторе (из-за увеличения ), и КПД после достижения своего максимума (примерно при нагрузке 80÷85% от номинальной) начинает падать. Теперь объясним зависимость .

Когда мощность на роторе равна нулю, это не значит, что мощность на статоре равна нулю. Она отлична от нуля и тратится на преодоление магнитных и электрических потерь в статоре. Это означает, что ток в обмотке статора не равен нулю, и . При увеличении мощности происходит увеличение активной составляющей тока, и быстро растёт.

- Раздел 6 -

Рассмотрим важный элемент асинхронной машины – воздушный зазор. При проектировании машины к выбору воздушного зазора относятся очень серьёзно, потому что его неправильный выбор сильно портит КПД.

Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к уменьшению МДС магнитной цепи и намагничивающего тока двигателя , благодаря чему возрастает его коэффициент мощности и уменьшаются потери в обмотке статора. Но чрезмерное уменьшение зазора приводит к возрастанию амплитуды пульсаций индукции в воздушной зазоре и, как следствие, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь.

Увеличение воздушного зазора означает увеличение его магнитного сопротивления, а для получения требуемого магнитного потока по закону Ома для магнитной цепи (, где - магнитная проводимость) увеличится МДС, т.е. намагничивающий ток. Увеличение намагничивающего тока – это увеличение реактивных составляющих токов статора и ротора, что и приводит к уменьшению коэффициента мощности .

---

Дата добавления: 2015-11-04