Асинхронные машины. Лекция 13

Асинхронные машины
Асинхронные машины являются машинами переменного тока,
у которой магнитное поле статора и ротор вращаются с разными скоростями.
Асинхронные машины в основном используются в качестве двигателей.
АД являются самыми распространёнными.
Асинхронные двигатели подключаются к трёхфазной и однофазной сетям.
Однофазные двигатели имеют небольшую мощность (до 1,5 кВт)
и применяются в средствах автоматики.
Трехфазные двигатели - во всех отраслях, где необходимо вращение.
Асинхронные машины сверхмалой мощности используются
в качестве тахометров (тахогенераторов).
Обозначение асинхронных машин в электрических схемах
АД с короткозамкнутым
ротором
АД с фазным
ротором

Устройство асинхронного двигателя
Устройство статора асинхронной машины
Асинхронные двигатели состоят из статора и ротора.
Сердечник статора представляет собой полый цилиндр,
собранный из листов электротехнической стали и имеет пазы.
В пазы уложены обмотки возбуждения.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
(типа «беличьей клетки»)
Устройство асинхронного двигателя
1 – магнитопровод, из листов электротехнической стали;
2 – проводники алюминиевые, залитые в пазы магнитпровода.

Фазный ротор асинхронного двигателя
магнитопровод;
фазные обмотки;
контактные кольца
Схема асинхронного двигателя с фазным ротором

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

Принцип действия асинхронного двигателя
Переменный ток в фазных обмотках создает вращающее магнитное поле с угловой скоростью ω1. (или n1).
Вращающее магнитное поле пересекает витки ротора (якоря) и индуцирует в них ЭДС.
Так как концы проводников замкнуты накоротко, то в них возникает ток.
Возникший ток взаимодействует с вращающимся магнитным потоком, появляется пара сил Ампера, действующих на проводники, приводят во вращение ротор.

Разница скоростей n1 и n2 описываются – скольжением.
Частота вращения ротора зависит от скольжения s, от частоты питающей сети f и от числа магнитных полюсов p:
В режиме двигателя скольжение 0 < s < 1.
При номинальном режиме работы s=0,03 ÷ 0,08.
Чем больше тормозной момент, тем больше скольжение.
Скорость вращения ротора n2 отстает от скорости вращения магнитного поля n1.
Если скорости совпали бы (n1 = n2) тогда исчезла бы ЭДС в обмотках ротора и ротор стал бы тормозится. Следовательно, снова в обмотке ротора возникла бы ЭДС. Таким образом, ротор всё время пытается догнать магнитный поток статора.

Магнитное поле относительно ротора вращается со скоростью : ns = n1-n2=n1s. Частота ЭДС и тока в обмотке ротора определяется:
kобм.1 , kобм.2 – обмоточные коэффициенты машины
Величины ЭДС, индуцированных в обмотках статора и ротора
При пересечении переменного магнитного потока в обмотках статора и ротора возникают ЭДС:
Пример:
Если s=0,04 и f=50Гц, то f2 = s f= 0,04*50=2 Гц

Энергетическая диаграмма и КПД
Потребляемая от сети мощность определяется формулой:
m1- число фаз статора;
U1- фазное напряжение;
I1- фазный ток;
Электрические потери в обмотках статора:
Магнитные потери в стали статора:
Электромагнитная мощность передаваемая от статора в ротор:
Электрические потери в обмотках ротора:
Дополнительные механические потери:
Потери машины в целом:
КПД:
Номинальное значение КПД:

Вращающий момент асинхронного двигателя
Ω2 – угловая скорость вращения ротора (рад/сек)
Электромагнитная мощность двигателя определяется моментом (механическая мощность на валу двигателя)
С учётом математических преобразований
Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален току ротора, амплитуде вращающего магнитного потока и косинусу угла между током и напряжением в роторе.
В асинхронном двигателе вращающий момент создается только активной составляющей тока!
Учитывая происходящие электромагнитные процессы получим

Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от скольжения!
Учитывая малость активного сопротивления обмотки статора R1 и U1=const и введя реактивное сопротивление машины xк =x1+x′2 получим зависимость:
где
- постоянный к-т

Зависимость момента от скольжения
Максимальное значение момента соответствует критическому скольжению sкр , которое найдем производной
Так как xк = const, критическое скольжение sкр зависит только от сопротивления обмотки ротора R2 (R′2).
Обычно sкр = 0,1…0,2.

Характеристики асинхронного двигателя
Механической характеристикой называют зависимость скорости вращения двигателя от момента n2 = f(М) при U1=const и f=const.
Из формулы определения скорости
если s=1 тогда n2 = 0;
если s=0 тогда n2 = n1.
a-b - устойчивый режим работы двигателя;
b - максимальный момент двигателя;
c - пусковой момент двигателя;
можем найти:

Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рабочими характеристиками называют зависимости:
n2 = f(P2 );
s = f(P2 );
M2 = f(P2 );
I1 = f(P2 );
cosϕ1 = f(P2 );
η = f(P2 );
при U1 =const и f=const.
Механический (полезный) момент на валу:
Ток холостого хода асинхронного двигателя составляет 40 – 60% от номинального тока!

Пуск в ход асинхронных двигателей
В момент пуска n2 = 0 и скольжение s = 1.
Пусковой ток ротора (приведённое значение) при s=1:
Пусковой ток превышает номинальный в 5 – 7 раз. При пуске появляется большой бросок тока первичной обмотки.
Поэтому к пуску предъявляется особые требования:
пуск должен быть простым;
пусковой момент должен быть достаточно большим;
пусковой ток по возможности должен быть небольшим.

Пуск асинхронного двигателя
Пуск переключением
«Звезда-треугольник»
рабочий режим – треугольник;
пусковой режим - звезда

Пуск асинхронного двигателя
Пуск с помощью реакторов
Пуск с помощью автотрансформатора

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором
Механические характеристики

Регулирование скорости асинхронного двигателя
Схема частотного регулирования скорости АД
Механические характеристики АД при частотном регулировании

Регулирование скорости асинхронной машины с фазным ротором
Регулирование скорости скольжением
(с сопротивлениями в цепи ротора)
Механические характеристики

Режимы работы асинхронного двигателя
Режим используют для подтормаживания
Режим используют для торможения АД противовключением
Генераторный режим
Режим электромагнитного тормоза
I – генераторный режим;
II – двигательный режим;
III –режим электромагнитного тормоза

Способы соединения обмоток трёхфазного асинхронного двигателя
С1 - С4 фаза А;
С2 - С5 фаза В;
С3 - С6 фаза С.