Асинхронные машины

Асинхронные машины

 

Электротехника

 

МГПК

 

1

Асинхронные машины:

 

    Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

 

    Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора.

 

Достоинства:

Лёгкость в изготовлении. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

 Недостатки:

Небольшой пусковой момент. Значительный пусковой ток.

 

2

Устройство асинхронного двигателя:

 

Устройство статора асинхронного двигателя:  
1 - сердечник,

2 - обмотка,

3 - станина,

4 - щиток

 

Сердечник 1 статора набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с впадинами (пазами), изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине 3 двигателя.

 

3

Устройство асинхронного двигателя:

 

Соединение зажимов на щитке двигателя  
при включении обмотки статора:  
а - треугольником,

б - звездой

 

4

Устройство асинхронного двигателя:

 

Короткозамкнутый ротор

 

Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя:  
а - устройство,

б - обмотка;

1 - сердечник,

2 - проводники,

3 - медные кольца

 

Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса (б). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами.

 

5

Устройство асинхронного двигателя:

 

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки».

 

Достоинства -  легкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

 

6

Устройство асинхронного двигателя:

 

Фазный ротор

 

   Фазная обмотка ротора выполнена подобно статорной, т. е. проводники соответствующим образом соединены между собой, образуя трехфазную систему.

   Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора.

    Обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

 

7

Устройство асинхронного двигателя:

 

    Наиболее существенным недостатком является относительно низкий коэффициент мощности (cosφ). 
    У асинхронного двигателя cosφ при полной нагрузке может достигать значений 0,85—0,9; при недогрузках двигателя его cosφ резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3.

 

8

Устройство асинхронного двигателя:

 

    В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей воздушный зазор стремятся делать возможно меньшим, доводя его у малых двигателей (порядка 2—5 кВт) до 0,3 мм.

    В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится увеличивать по конструктивным соображениям, но все же он не превышает 2—2,5 мм.

 

9

Режимы работы

 

0 ≤ s ≤ 1 – двигательный режим,

s ≤ 0   - генераторный режим,

S ≥ 1  - режим электромагнитного тормоза.

Двигательный режим

 

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении . Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки В данном режиме электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.

 

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

S=(n0−n)/n0 или S=[(n0−n)/n0]100%.

При пуске в ход асинхронного двигателя n=0,S=1. В режиме идеального холостого хода n=n0,S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах:

0<S≤1.

При работе асинхронных двигателей в номинальном режиме:

Sн=(2÷5)%.

В режиме реального холостого хода асинхронных двигателей:

Sхх=(0,2÷0,7)%.

 

Режим генератора

 

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию.

Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента.  Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии). 
 

При n>n0,S=0.

При n→+∞,S→−∞.

Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

0>S>−∞.

 

Режим электромагнитного тормоза

 

Этот режим работы наступает, если ротор и магнитное поле вращаются в разные стороны. Этот режим работы имеет место при реверсе асинхронного двигателя, когда изменяют порядок чередования фаз, т.е. изменяется направление вращения магнитного поля, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении.

Электромагнитная сила будет создавать тормозной электромагнитный момент, под действием которого будет снижаться частота вращения ротора, а затем произойдёт реверс.

 

В режиме электромагнитного тормоза машина потребляет механическую энергию, развивая на валу тормозной момент, и одновременно потребляет из сети электрическую энергию. Вся эта энергия идёт на нагрев машины.

При n=n0,S=1.

При n→−∞,S→+∞.

Таким образом, в режиме электромагнитного тормоза скольжение изменяется в пределах:

0<S<∞.

 

Пуск в ход асинхронных двигателей:

 

    Прямой пуск двигателя непосредственным включением его в сеть допускается только в том случае, когда мощность двигателя, намного меньше мощности источника энергии, питающего сеть.

 

Схема включения пускового реостата  
в цепь фазного ротора асинхронного двигателя

 

10

Пуск в ход асинхронных двигателей:

 

Схема пуска короткозамкнутого асинхронного двигателя с переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

 

    В момент пуска обмотку статора соединяют звездой, а после того как двигатель разовьет частоту вращения, близкую к нормальной, ее переключают треугольником.

    При таком способе пуска двигателя в ход пусковой ток в сети уменьшается в три раза по сравнению с пусковым током, при соединении треугольником.

 

11

Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами:

 

    Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.

    Ротор с двойной короткозамкнутой обмоткой был впервые предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (изо, а).

 

 

Схема устройства ротора:  
а - с двойной короткозамкнутой обмоткой,

б - с глубокими пазами

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым 1 – вал; 2, 6 – подшипники; 3, 7 -    подшипниковые щиты; 4 ротором:

– коробка выводов; 5 – вентилятор; 8 – кожух вентилятора; 9 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 – сердечник статора; 11 – корпус; 12 - лапы

 

 

Устройство трехфазного асинхронного двигателя  
с короткозамкнутым ротором

Короткозамкнутый ротор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а – обмотка «беличья клетка»; б – ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 – вал 2 – короткозамыкающие кольца; 3 вентиляционные лопатки

Устройство трехфазного асинхронного двигателя 
с фазным ротором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, 7 – подшипники; 2, 6 – подшипниковые щиты; 3 – корпус; 4 – сердечник статора с обмоткой; 5 сердечник ротора; 8 – вал; 9 – коробка выводов;

10 – лапы; 11 – контактные кольца

РЕЖИМЫ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ МАШИН И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. Сл. 16

 

 Отличительной особенностью  машин с фазным ротором является  наличие на роторе обмотки  из проводников круглого или  прямоугольного сечения, начала  которой выведены на контактные  кольца. Узел контактных колец  вынесен из станины, а контактные  кольца закрыты кожухом