Лекция 3.1.Конструкция, принцип работы и характеристики трехфазного асинхронного двигателя

Конструкция. Магнитопроводы статора и ротора трехфазной машины обычно неявнополюсные (см.рис.1.5, а). Трехфазная обмотка статора обычно выполняется распределенной. На внешнюю панель выводов либо выходят все 6 выводов, либо обмотки фаз соединяются внутри машины по схеме “звезда” или “треугольник” и на панель выходят 3 вывода. Обмотка статора предназначена для создания вращающегося магнитного поля машины. Обмотка ротора типа " беличьей клетки" состоит из неизолированных алюминиевых или медных стержней, расположенных в пазах и замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами.

Принцип действия. Принцип работы асинхронных машин связан с понятием вращающегося магнитного поля. Обмотка, создающая вращающееся поле, представляет собой N-фазную систему, т.е. состоит из N обмоток, которые сдвинуты друг относительно друга в пространстве и по которым протекают токи, сдвинутые во времени. Каждая из обмоток фаз создает пульсирующий поток (неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени), сдвинутый относительно других в пространстве и во времени. Если все обмотки фаз имеют одинаковое число витков и сдвинуты в пространстве на одинаковый пространственный угол γ, токи имеют одинаковую амплитуду I_m и частоту f и сдвинуты во времени на одинаковый угол β, то результирующее магнитное поле будет круговым. Это означает, что поток представляет собой вектор постоянной длины, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Условия образования кругового магнитного поля в общем случае можно записать следующим образом:

γ = 360°\ N; β = 360° \N; I_m1 = I_m2 =…= I_mN, (3.1)

и в трехфазной машине (N=3) они примут вид

γ = 120°; β = 120°; I_m1 = I_m2 = I_m3.

Угловая скорость магнитного поля, называемая синхронной скоростью машины переменного тока, будет равна (рад/с)

ω ₁ = 2π f / р_м, (3.2)

где р_м - число пар полюсов обмотки. Синхронная частота вращения (об/мин) n₁ = 60 f / р_м.

Если изменить порядок чередования любых двух обмоток фаз, то вектор магнитного поля будет вращаться в противоположную сторону.

Асинхронная машина, как и электрические машины других типов, является обратимой. Принцип действия асинхронной машины основан на электромагнитном взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в роторе. Поскольку наведение ЭДС в роторе возможно только при неравенстве угловых скоростей ротора ω ₂ и магнитного поля статора ω ₁, то условие ω ₂ ≠ ω ₁ является обязательным для создания электромагнитного момента в любом режиме работы асинхронной машины. В качестве характеристики этого неравенства вводится понятие скольжения:

(3.3)

Работу асинхронной машины рассмотрим на примере машины с короткозамкнутым ротором (рис.3.2).

Рисунок 3.2

Пусть магнитное поле статора Ф₁ и ротор вращаются в одну сторону и ω ₂ < ω ₁. Направление ЭДС e₂, наводимой в роторе, определяется по мнемоническому правилу правой руки. Токи ротора i₂ во взаимодействии с полем статора создают электромагнитные силы F_эм, направление которых определяется по мнемоническому правилу левой руки.

Электромагнитный момент М_эм, создаваемый этими силами, направлен в сторону вращения ротора и разгоняет его в сторону поля, электрическая энергия сети преобразуется в механическую энергию на валу ротора, т.е. машина работает в режиме двигателя. Электромагнитный момент, развиваемый двигателем при неподвижном роторе, является пусковым моментом. Угловая скорость, до которой разгоняется ротор, тем больше, чем меньше момент нагрузки на валу двигателя. При отсутствии нагрузки угловая скорость ω ₂ стремится к ω ₁, но в реальных машинах никогда не достигает ее, т.к. при ω ₂ = ω ₁ проводники ротора не пересекают поле и М_эм = 0, а момент сопротивления нулю не равен - его создают силы трения в двигателе. Следовательно, теоретический диапазон работы асинхронной машины в режиме двигателя ω ₂= 0 ÷ ω ₁, s = 1 ÷ 0. Режим двигателя является на практике основным режимом работы асинхронной машины.

Если магнитное поле статора и ротор вращаются в одну сторону и за счет подведения внешней механической энергии ω ₂ > ω ₁, то машина переходит в режим генератора; теоретический диапазон режима генератора ω ₂ = 0 ÷ ∞, s = 0 ÷ (- ∞).

Если ротор вращается в сторону, противоположную магнитному полю статора, то электромагнитный момент М_эм направлен против направления вращения ротора, и машина работает в режиме торможения противовключением; теоретический диапазон работы в режиме торможения противовключением ω ₂ = 0 ÷ (- ∞), s = 1 ÷ (∞).

Линейный асинхронный двигатель в простейшем случае можно получить, если вращающийся двигатель разрезать по диаметру и развернуть на плоскости. При этом магнитное поле получается не вращающимся, а бегущим, и электрическая энергия преобразуется в механическую поступательного движения.

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент, возникающий в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в роторе, может быть определен из выражения
M_эм = k Ф_м I₂ cos ψ ₂, (3.4)

где k – конструктивный коэффициент, зависящий от числа фаз, числа полюсов и числа витков в фазе обмотки статора.

Как видно из (3.4), электромагнитный момент прямо пропорционален основному магнитному потоку Ф_м и активной составляющей тока ротора I₂ cos ψ ₂. При этом основной поток определяется напряжением питания и не зависит от нагрузки, а ток ротора I и его фаза относительно ЭДС ψ ₂ зависят от скольжения и соответственно от нагрузки:

; (3.5)

(3.6)

В этих выражениях R₂ и x₂ – активное и индуктивное сопротивления фазы ротора.

Формула момента (3.4) получена для режима двигателя, но она справедлива и для других режимов с учетом знака и диапазона значений скольжения s.

Механические характеристики. Уравнением естественной механической характеристики асинхронного двигателя является выражение (3.4) с заменой скольжения S на угловую скорость ω ₂ по (3.3) при U₁=const. График характеристики изображен на рис. 3.3.

Рисунок 3.3

Такой вид характеристики легко поясняется с помощью формул (3.4) - (3.6).При увеличении скольжения ток ротора I₂ непрерывно растет, но становится все более индуктивным – уменьшается сosψ ₂, так как увеличивается частота токов в роторе и, соответственно, его индуктивное сопротивление. В результате активная составляющая тока ротора и, соответственно, электромагнитный момент вначале растут, а затем начинают убывать.

Скольжение, при котором момент достигает максимального значения M_max, называется критическим и обозначается s_кр; на основании (3.3) соответствующая критическая скорость ω _2kp=(1-s_кр)ω ₁. Для определения sкр необходимо, воспользовавшись выражением (3.4), взять производную dM_эм / ds и приравнять ее нулю. Решение получающегося уравнения имеет вид s_кр≈ R₂\x₂.

В большинстве асинхронных двигателей необходимо обеспечить высокий КПД. Поэтому активное сопротивление обмоток, в частности R₂, определяющее уровень электрических потерь в роторе, стремятся получить малым. При этом критическое скольжение лежит в диапазоне 0, 1 ÷ 0, 25.

Сам максимальный момент пропорционален квадрату напряжения питания, не зависит от активного сопротивления роторной цепи R₂ и наступает при тем большем скольжении, чем больше активное сопротивление роторной цепи (рис. 3.3, штрих - пунктирная линия). Пусковой момент двигателя Mп определяется выражением (3.4) при s=1. Значение Mп пропорционально квадрату напряжения питания и возрастает при увеличении R₂ (см. рис. 3.3), достигая максимума при s_кр =1 (ω _2kp=0).

Оценим механическую характеристику по показателям устойчивости, жесткости и линейности. Если воспользоваться формальным признаком устойчивости dω ₂\dM_эм< 0, то легко показать, что при М_ст=const устойчивая работа двигателя обеспечивается только на участке от ω ₁ до ω _2kp. Участок от ω _2kp до 0 является неустойчивым. Рабочий диапазон моментов и скоростей электроприводов с асинхронными двигателями выбирается в пределах устойчивой части механической характеристики двигателя. Точка номинальной нагрузки М_ном располагается на рабочем участке таким образом, чтобы перегрузочная способность К_m = М_m / М_ном = 1, 7 – 3, 5. При малом сопротивлении ротора R₂критическая скорость ω _2кр=(0, 8 – 0, 9)ω ₁и рабочий участок жесткий. Механическая характеристика в целом нелинейная, но ее рабочий участок близок к линейному.

Пуск. Условием пуска двигателя является неравенство Мп> Мст; если это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение и разгоняется до установившегося режима. При пуске (ω ₂ = 0, s =1) ток в роторе достигает наибольшего значения (см. (3.5)). Соответственно велики пусковые токи и в обмотке статора. У асинхронных двигателей малой мощности и специальных двигателей с повышенным критическим скольжением обычно кратность пускового тока К_iп=< 6 и допускается непосредственное включение двигателя в сеть. Если К_iп > 6 или требуется более сильно ограничить пусковой ток, то приходится применять специальные способы пуска. У двигателей с короткозамкнутым ротором это в основном способы пуска при пониженном напряжении питания. Недостатком способов пуска при пониженном напряжении является то, что пропорционально квадрату фазного напряжения уменьшается пусковой момент.

Реверсирование двигателя. Изменение направления вращения ротора осуществляется изменением направления вращения поля статора. Для этого достаточно поменять местами выводы двух любых фаз.

Торможение двигателя. Для быстрой остановки двигателя могут применяться различные способы электрического торможения: рекуперативное, торможение противовключением и динамическое торможение.

Рекуперативное торможение происходит при работе асинхронной машины в режиме генератора параллельно с сетью, т.е. при ω ₂ > ω ₁. На практике этот режим встречается редко, в основном при переходе с высших угловых скоростей на низшие, например, при изменении числа пар полюсов или частоты напряжения питания.

Торможение противовключением происходит в том случае, когда магнитное поле статора вращается в одном направлении, а ротор в противоположном. При этом угловая скорость ротора и создаваемый двигателем момент имеют противоположные знаки.

Динамическое торможение осуществляется отключением обмотки статора от сети переменного тока и подключением к сети постоянного тока. Возникает неподвижное поле статора, которое наводит ЭДС и токи во вращающемся роторе. В результате взаимодействия этих токов с полем статора создается тормозной момент.

Регулирование скорости. Трехфазные асинхронные двигатели используют в основном в приводах, не требующих широкого регулирования угловой скорости ротора. Однако в последнее время расширяется применение этих дешевых и надежных двигателей и в регулируемом электроприводе, в том числе в станках с числовым программным управлением. Основные способы регулирования угловой скорости ротора основаны на изменении скорости поля за счет изменения частоты напряжения питания или числа полюсов, т.к.
ω ₂=(1 - s)ω ₁=(1-s)(2π f₁/p_м). (3.7)

Изменение числа пар полюсов р_м позволяет дискретно регулировать ω ₂. Для реализации этого способа требуется либо укладывать на статоре несколько обмоток с различным рм, либо выполнять одну обмотку из секций, выведенных на коммутатор. Основным недостатком способа регулирования является ступенчатый характер изменения угловой скорости, число ступеней скорости не превышает 3÷ 4.

Регулирование скорости в ограниченном диапазоне возможно также за счет изменения амплитуды напряжения питания, а у двигателей с контактными кольцами – изменения добавочного сопротивления в цепи ротора.

Однако наиболее перспективным, особенно в системах автоматического управления, является частотный способ регулирования скорости, который будет рассмотрен далее.