Асинхронные машины

Асинхронными называются машины переменного тока, у которых скорости вращающегося магнитного поля и ротора не совпадают.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами в обмотке ротора.

Он состоит из магнитной цепи, обмоток и механических частей. Неподвижная часть двигателя называется статор, состоящий из сердечника, обмотки, станины и подшипниковых щитков.

Обмотка статора трехфазная соединенная звездой или треугольником. Основной элемент обмотки – секция, укладываемая в одну пару пазов. Секции одной фазы, уложенные в соседних пазах, образуют катушечную группу. Количество катушечных групп в фазе определяет число пар полюсов и частоту вращения магнитного поля.

Подвижная часть называется ротор, состоящий из сердечника, обмотки и вала. Обмотка ротора выполняется короткозамкнутой и фазной. Короткозамкнутая обмотка состоит из алюминиевых стержней, концы которых замкнуты накоротко кольцами, – обмотка типа «беличья клетка». Фазный ротор имеет изолированную трехфазную обмотку с таким же числом полюсов, как и у обмотки статора. Концы роторной обмотки, соединенной в звезду, выведены наружу через кольца, вращающиеся вместе с валом, и подключены к пусковому реостату. После пуска двигателя реостат выводят и обмотка становится короткозамкнутой.

Асинхронный трехфазный двигатель можно использовать при двух линейных напряжениях сети 220/380 В. Если , то обмотки двигателя соединяют треугольником (на каждую обмотку подается 220 В). Если , то обмотки соединяют звездой (каждая обмотка будет находиться под напряжением 220 В, т.к. ). На клеммную доску выводят все шесть концов фазы обмоток.

Ротор и магнитное поле вращаются в пространстве в одном направлении, но с разными частотами

где – частота вращения магнитного поля, – частота вращения ротора.

Режим работы асинхронного двигателя можно характеризовать скольжением

. (8.1)

Режимы работы трехфазной асинхронной машины:

· в режиме двигателя (0<S<1): электрическая энергия преобразуется в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно-медленнее поля, с такой частотой вращения, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу;

· в режиме генератора (S<0): механическая энергия преобразуется в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой вращения большей, чем частота вращения поля;

· в режиме электромагнитного тормоза (S>1): ротор вращается в направлении противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора.

Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату, подведенного к статору напряжения ~, поэтому он очень чувствителен к колебаниям напряжения сети.

называется способностью к перегрузке, зависит от напряжения сети.

Характеристики асинхронного двигателя:

· механическая характеристика – зависимость частоты вращения ротора от момента на валу при .

Вращающий момент двигателя зависит от скольжения, то при нормальных условиях эксплуатации (U₁=cоnst) вращающий момент является функцией только скольжения .

· рабочие характеристики – зависимость частоты вращения ротора, вращающего момента, потребляемого тока, коэффициента мощности и к.п.д. от мощности на валу:

Все рабочие характеристики снимаются при номинальных частоте сети f и напряжении между выводами статора U₁=U_1ном.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности на валу Р₂ к мощности Р₁, определяющей потребление двигателем энергии из сети:

Мощность Р₁ равна сумме полезной мощности и мощности всех потерь в двигателе:

Полезная мощность на валу

где Р₀₁ – потери в обмотке статора; Р_СТ1 – потери в стали статора; Р₀₂ – потери в обмотке ротора; Р_МЕХ – потери на трение.

Потерями в стали ротора можно пренебречь, так как частота f₂ близка к нулю.

Тогда к.п.д. двигателя

. (8.2)

В начальный момент пуска двигателя с короткозамкнутым ротором частота вращения двигателя равна нулю, скольжение S=1, пусковой ток превышает номинальный I_пуск/I_н=5…7. Большой пусковой ток снижает напряжение сети, что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Пусковой момент двигателя невелик. При пуске двигатель должен развивать момент, превышающий тормозной момент механизма. М_пуск/М_н=0,8…1,5 – кратность пускового момента по отношению к номинальному.

Способы пуска:

· включение в цепь статора индуктивного сопротивления (реактора). После разгона реактор выключают, и статор остается включенным на полное напряжение. Пусковой ток уменьшается пропорционально напряжению, а пусковой момент – пропорционально квадрату напряжения на статоре. Если уменьшить пусковой ток в два раза, то пусковой момент уменьшится в четыре раза;

· пуск через автотрансформатор. Пусковой момент уменьшается пропорционально линейному пусковому току;

· переключение обмотки статора с треугольника на звезду. Этот способ можно применять для двигателя, обмотки которого соединены треугольником.

Для пуска двигателя с фазным ротором применяют пусковой трехфазный реостат, включенный через щетки и кольца в цепь ротора. В начале пуска реостат введен, а концу пуска реостат полностью выводят, и все три фазы ротора оказываются замкнутыми накоротко.

Способы регулирования скорости:

· реостатное регулирование;

· переключение числа пар полюсов;

· изменение частоты питающего тока;

· изменение напряжения.