Двигательный
режим.
Если
ротор неподвижен или частота его вращения
меньше синхронной, то вращающееся
магнитное поле пересекает проводники
обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС,
под действием которой в обмотке ротора
возникает ток. На проводники с током
этой обмотки (а точнее, на зубцы сердечника
ротора), действуют электромагнитные
силы; их суммарное усилие образует
электромагнитный вращающий момент,
увлекающий ротор вслед за магнитным
полем. Если этот момент достаточен для
преодоления сил трения, ротор приходит
во вращение, и его установившаяся частота
вращения соответствует равенству
электромагнитного момента тормозному,
создаваемого нагрузкой на валу, силами
трения в подшипниках, вентиляцией и т.
д. Частота вращения ротора не может
достигнуть частоты вращения магнитного
поля, так как в этом случае угловая
скорость вращения магнитного поля
относительно обмотки ротора станет
равной нулю, магнитное поле перестанет
индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в
свою очередь, создавать вращающий
момент.
Генераторный
режим.
Если
ротор разогнать с помощью внешнего
момента (например, каким-либо двигателем)
до частоты, большей частоты вращения
магнитного поля, то изменится направление
ЭДС в обмотке ротора и активной
составляющей тока ротора, то есть
асинхронная машина перейдёт в генераторный
режим. При этом изменит направление и
электромагнитный момент, который станет
тормозным. В генераторном режиме работы
скольжение
.
Для работы асинхронной машины в
генераторном режиме требуется источник
реактивной мощности, создающий магнитное
поле. При отсутствии первоначального
магнитного поля в обмотке статора поток
создают с помощью постоянных магнитов,
либо при активной нагрузке за счёт
остаточной индукции машины и конденсаторов,
параллельно подключенных к фазам обмотки
статора. Асинхронный генератор потребляет
реактивный ток и требует наличия в сети
генераторов реактивной мощности в виде
синхронных машин.
Режим
электромагнитного тормоза.
Если
изменить направление вращения ротора
или магнитного поля так, чтобы они
вращались в противоположных направлениях,
то ЭДС и активная составляющая тока в
обмотке ротора будут направлены так
же, как в двигательном режиме, и машина
будет потреблять из сети активную
мощность. Однако электромагнитный
момент будет направлен встречно моменту
нагрузки, являясь тормозящим. Для режима
справедливы неравенства:
Этот
режим применяют кратковременно, так
как при нём выделяется много тепла,
которое двигатель не способен рассеять,
что может вывести его из строя.
Скольжение
асинхронного двигателя — относительная
разность скоростей вращения ротора и
магнитного поля статора двигателя
переменного тока.
s
= (n1 − n) / n1,
где
n — скорость вращения ротора асинхронного
двигателя
n1
— скорость вращения магнитного потока,
называется синхронной скоростью
двигателя.
n1
= 60 * f / p,
где
f — частота сети переменного тока
p
— число пар полюсов обмотки статора.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Режимы работы асинхронных двигателей
Реферат выполнил ст-т 6-ого куса, 12 гр., спец. 1801,
Полукаров А.Н.
Самарский Государственный Технический Университет
Кафедра «Электромеханика и нетрадиционная энергетика»
Самара, 2006
1. Введение.
Общие сведения об асинхронных машинах.
Асинхронной
машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у
которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети
с постоянной частотой ω1, а вторая обмотка (вторичная) замыкается
накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке
появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота ω2 является
функцией угловой скорости ротора Ω, которая в свою очередь зависит от
вращающего момента, приложенного к валу.
Наибольшее
распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной
разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с
трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.
Машины
такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как
асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным
машинам».
Асинхронные
машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они
применяются крайне редко.
Асинхронный
двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.
Разноименнополюсная
обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (беличья
клетка) или фазной (присоединяется к контактным кольцам). Наибольшее
распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации
двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые
двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при
изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения
уменьшается всего на 2—5%).
Двигатели
с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным
пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления
плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших
токов из сети при пуске (в 5—7 раз превышающих поминальный ток).
Двигатели
с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от
этих недостатков ценой усложнения конструкции ротора, что приводит к их
заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в
1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят
применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необходимости плавного регулирования частоты вращения.
Двигатели
с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные
соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в
широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за значительной
стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения.
В
двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой
соединяются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С
помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить
добавочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или
рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.
В
большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только
при пуске двигателя, что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению
пусковых токов и облегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя
пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута
накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специальным устройством,
которое позволяет после завершения пуска замкнуть между собой контактные кольца
и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения
потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте
щеток.
Выпускаемые
заводами асинхронные двигатели предназначаются для работы в определенных
условиях с определенными техническими данными, называемыми номинальными. К
числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в
заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:
механическая
мощность, развиваемая двигателем, Рн = P2н;
частота
сети f1;
линейное
напряжение статора U1лн
линейный
ток статора I1лн;
частота
вращения ротора nн;
коэффициент
мощности cos φ1н;
коэффициент
полезного действия ηн.
Если
у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть
включена в звезду или треугольник, то ука-зываются линейные напряжения и токи
для каждого из возможных соединений (Υ/Δ).
Кроме
того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых
кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.
Номинальные
данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная
мощность — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная
частота вращения п1н = 60 f1/р при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и
менее в особых случаях; при повышенных частотах — до 100 000 об/мин и более
(номинальная частота вращения ротора обычно на 2—5% меньше синхронной; в
микродвигателях — на 5—20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие
значения при больших мощностях).
Номинальный
КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения;
при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65—0,95, в микродвигателях 0,2—0,65.
Номинальный
коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности
к полной мощности, потребляемой из сети,
также
возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей; при мощности более
1 кВт он составляет 0,7—0,9; в микродвигателях 0,3—0,7.
Общие сведения о режимах работы асинхронного
двигателя.
В
двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве
случаев невелика и составляет лишь несколько процентов. Поэтому частоту
вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в
относительных, вводя понятие скольжения:
s
= (пс — п)/пс,
где
пс — частота вращения поля (синхронная частота вращения); п — частота вращения
ротора.
Скольжение
выражается либо в относительных единицах (s = = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в
процентах (s — 2 %; 2,5 % и т. п.).
Частота
тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и
ЭДС обмотки статора и от скольжения:
f2
— f1s; Е’2 — E1s,
где
Е1— ЭДС обмотки статора; Е’2 — ЭДС обмотки ротора, приведенная к числу витков
обмотки статора.
Рис.
2.1. Механическая характеристика асинхронной
машины
Теоретически
асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s = -∞…+∞
(рис. 2.1), но не при s = 0, так как в этом случае п — пс и проводники обмотки
ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и
момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают
несколько режимов работы асинхронных машин (рис. 2.1): генераторный режим при s
< 0, двигательный при 0 < s < 1, трансформаторный при s = 1 и
тормозной при s > 1. В генераторном режиме ротор машины вращается в ту же
сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном —
направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается
медленнее поля статора: п = пс(1 — s). В трансформаторном режиме ротор машины
неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг друга.
Асинхронная машина в таком режиме представляет собой трансформатор и отличается
от него расположением первичной и вторичной обмоток (обмотки статора и ротора)
и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор
вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля статора
и машина создает момент, противоположный моменту, действующему на вал.
Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и
лишь очень небольшое количество — в генераторном и трансформаторном режимах, в
тормозном режиме — кратковременно.
Для
оценки механической характеристики асинхронного двигателя моменты, развиваемые
двигателем при различных скольжениях, обычно выражают не в абсолютных, а в
относительных единицах, т. е. указывают кратность по отношению к номинальному
моменту: М* = M/Мном. Зависимость М* = f(s) асинхронного двигателя (рис. 2.2)
имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому М*п, минимальному
М*min, максимальному М*max и номинальному М*ном моментам.
Пусковой
момент М*п характеризует начальный момент, развиваемый двигателем непосредственно
при включении его в сеть при неподвижном роторе (s — 1). После трогания
двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см.
рис. 2.2). Обычно М*min на 10…15 % меньше М*п. Большинство двигателей
проектируют так, чтобы их М*min был больше М*ном , так как они могут достигнуть
номинальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к
валу, будет меньше, чем М*min .
Максимальный
момент М*max характеризует перегрузочную
способность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель
останавливается. Поэтому М*max называют также критическим, а скольжение, при
котором момент достигает максимума, — критическим скольжением sкp. Обычно sкр
не превышает 0,1…0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых,
металлургических и т. п.) sкp может быть значительно большим.
В
диапазоне 0 < s < sкр характеристика М — f(s) имеет устойчивый характер.
Она является рабочей частью механической характеристики двигателя. При
скольжениях s > sкр двигатель в нормальных условиях работать не может. Эта
часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до
выхода на рабочую часть характеристики.
Рис.
2.2. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения
Трансформаторный
режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор
неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток
двигателя в несколько раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем
при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный
двигатель, не рассчитанный для работы при скольжениях, близких к единице, может
находиться лишь в течение нескольких секунд.
Режим
короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае
он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд
или через короткие промежутки времени могут привести к превышению допустимой
температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.
3. Аналитическое и графическое определение режимов
работы асинхронной машины
Электромеханическое
преобразование энергии может происходить в асинхронной машине в следующих трех
режимах:
в
режиме двигателя 0 < s < l, Ω1 > Ω > 0;
в
режиме генератора s < 0, Ω > Ω1;
в
режиме тормоза s > 1, Ω < 0.
Кроме
того, важны еще два характерных режима работы, в которых электромеханическое
преобразование энергии не происходит: режим идеального холостого хода (s = 0,
Ω = Ω1) и режим короткого замыкания (s = 1, Ω = 0).
В
режиме двигателя (область Д на рис. 3.2) под воздействием электромагнитного
момента Μ > 0, направленного в сторону поля, ротор машины вращается в
сторону поля со скоростью, меньшей, чем скорость поля (Ω1 > Ω >
0, 0 < s < 1). В этом режиме
Ρэм
= ΜΩ1 = 
> 0; Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 
> 0.
Электрическая
мощность Р1 = Рэм + Рм + Рэ1 > 0 преобразуется в механическую мощность Р2 =
Рмех — Ρд — ΡΊ > 0, передаваемую через вал приводимой в
движение машины.
Энергетические
процессы в режиме двигателя иллюстрируются рис. 3.1, а, на котором направление
активной составляющей тока ротора i2а совпадает с индуктированной в роторе ЭДС.
Направление электромагнитного момента Μ определяется электромагнитной
силой Bmi2a, действующей на ток i2a .
Полезная
механическая мощность Р2 оказывается меньше потребляемой из сети мощности на
потери ΣΡ:
Ρ2
= Ρ1-ΣΡ = Ρ1 -(Ρэ1 + Ρм+Ρэ2 + Ρд +
Ρт),
И
КПД двигателя выражается формулой:
η
= 
= 1-
= f(s)
В
режиме генератора (область Г на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента
Мв > 0, направленного в
сторону поля (рис. 3.1, б), ротор машины вращается со
скоростью, превышающей скорость поля (Ω > Ω1, s < 0). В этом
режиме в связи с изменением направления вращения поля (Ω^) относительно
ротора активная составляющая тока ротора г’2а изменяет свое направление иа обратное
(по сравнению с двигательным режимом). Поэтому электромагнитный момент Μ =
Bmi2a, уравновешивающий внешний момент, направлен против поля и считается
отрицательным (М < 0), мощности Рэ„ и Ртх также отрицательны:
Ρэм
= ΜΩ1 = < 0; Ρмех = ΜΩ = Ρэ2 < 0.
Рис.
3.1. Режимы работы асинхронной машины.
а
— двигательный;
б
— генераторный;
в
— тормоза;
г
— трансформатора (или короткого замыкания).
Направление
преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Рг,
подведенная к валу машины, преобразуется в электрическую мощность Plt
поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом
режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность:
Ρмех
= Ρэм — Ρэ2 < 0 при s < 0
по
абсолютному значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2):
|Ρмех|
= | Ρэм | + Ρэ2
Рис.
3.2. Электромеханические характеристики асинхронной машины (в относительных
единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos <р0 = 0,185; Хг = Х’2 = 0,125; Кг =
0,0375; R’s = 0,0425).
По
той же причине потребляемая механическая мощность
P2
= P1 — ΣΡ < 0
по
абсолютному значению на потери больше электрической мощности, отдаваемой в
сеть:
|Ρ2|
= | Ρ1 | + ΣΡ,
и
КПД генератора
η
= 
= 1-
.
В
режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв
< 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины
вращается в сторону, противоположную полю (Ω<0, s = 
>1). В этом режиме
электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме
двигателя (направление вращения поля Ω.5 относительно ротора остается
таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается
положительным (М > 0). Однако, поскольку Ω < 0, механическая
мощность оказывается отрицательной:
Ρмех
= ΜΩ = Ρэ2 < 0
Это
означает, что она подводится к асинхронной машине. Электромагнитная мощность в
этом режиме положительна:
Ρэм
= ΜΩ1 = > 0
Это
означает, что она поступает из сети в машину.
Подведенные
к ротору машины со стороны сети |Ρэм| и вала |Ρмех| мощности превращаются в электрические потери
Рэ2 в сопротивлении ротора R’2 (рис. 3.2):
|Ρмех|
+ | Ρэм | = Ρэ2 
+ Ρэ2
= Ρэ2 = m1 R’2(I ‘2)2 .
Асинхронная
машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого
подъемным краном груза. При этом мощность | Ρмех | = | ΜΩ |
поступает в ротор машины (см. рис. 3.1).
В
режиме идеального холостого хода внешний вращающий момент Μв, момент
трения Μт = Ρт/Ω и момент, связанный с добавочными потерями, Мд
= Ρд/Ω равны нулю. Ротор вращается со скоростью поля (Ω =
Ω1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Рмех =
ΜΩ = 0).
В
режиме идеального холостого хода внешний момент, приложенный к валу машины,
равен нулю (Мв = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения
вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и
вращающееся поле (Ω = Ω1), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи
в обмотке ротора не индуктируются (I2=0), и электромагнитный момент,
уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0).
Режим
холостого хода асинхронной машины аналогичен режиму холостого хода
трансформатора. В асинхронной машине и в трансформаторе ток в этом режиме
имеется только в первичной обмотке I1 ≠ 0, а во вторичной — отсутствует
(I2 = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме
только первичным током, что позволяет называть ток холостого хода
намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от трансформатора система токов I0 в
фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле.
По
аналогии с трансформатором уравнение напряжений необходимо составить при
холостом ходе только для фазы обмотки статора, являющейся первичной обмоткой:
,
где
— ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся
магнитным полем с потоком Фга;
—
фазное напряжение первичной сети;
R1,
Х1 — активное и индуктивное
сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).
В
силу малости падений напряжений X1I0 и R1I0 напряжение почти полностью
уравновешивается ЭДС т. е. = —.
В
режиме холостого хода R’мех = R’2 = ∞, ток R’2 = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z1 + Z0
(Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга).
В
режиме короткого замыкания под действием внешнего момента Μ в,
уравновешивающего электромагнитный момент М, ротор удерживается в
неподвижном состоянии (Ω = 0, s = = 1) и не совершает
полезной механической работы (Рмех = Μ Ω = 0).
Направление
тока i2a и электромагнитного момента Μ остается таким же, как в режиме
двигателя, и Μ > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Рэм =
ΜΩ1 > 0 — она поступает в ротор из статора и превращается в
электрические потери (Рэм = = Рэ2). В этом режиме асинхронная машина работает
как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него
только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо
пульсирующего поля в трансформаторе.
В
режиме короткого замыкания R’мех = R’2 = 0 и сопротивление схемы замещения по рис. 42-3
определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z’2. Имея в
виду, что |Z1 + Z’2| « |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать
сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным
Zк
= Z1 + Z’2 = Rк + jXк (43-3)
где
Rк=
R1+ R’2
Если
к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему
дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д, то она будет работать как
трансформатор, преобразующий электрическую энергию, поступающую из первичной
сети, в электрическую энергию с другими параметрами, потребляемую
дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д. Поэтому режим при s = 1 называется
также режимом трансформатора.
Изменить
режим работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U1 =
const и f1 = const) можно только путем изменения внешнего момента Мв,
приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор вращается со скоростью поля
(Ω = Ω1, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования
энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента Мв, направленного
против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока
не появится электромагнитный момент Μ = f(s), который
уравновесит момент Мв. Машина переходит в режим двигателя s = > 0. Наоборот,
при воздействии внешнего момента
Мв направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем
скорость поля (Ω > Ω1), и машина переходит в режим генератора (s=<0).
Наконец,
к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент Мв
таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в
противоположную сторону (по отношению к полю).
Список литературы
Иванов-Смоленский
А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.,
ил.
Вольдек
А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л.,
«Энергия», 1974.
Проектирование
электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк.,
2002. – 757 с.: ил.
Дата добавления: 29.06.2006
Во всех режимах работы асинхронный машин всегда присутствует вращающееся магнитное поле статора. Оно создаётся тремя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, скорость этого вращения равна:
где:
n1 – Скорость вращения магнитного поля статора;
f – Частота питающей сети (50Гц);
p – Количество пар полюсов (max 12 min 2);
Из формулы понятно, что скорость вращения магнитного поля статора асинхронной машины зависит от: частоты питающей сети, на территории стран СНГ она постоянна и равняется 50Гц, от количества пар полюсов в статоре асинхронной машины. Скорость вращения ротора синхронной машины напрямую зависит от скорости вращения магнитного поля статора.
Так же известно, что в их конструкции присутствует ротор, вращающаяся часть, которая может вращаться с различными скоростями. В целом можно сказать, что в асинхронных машинах скорость вращения изменяется только у ротора. Многочисленные наблюдения показали, что в зависимости от частоты вращения ротора асинхронной машины, с ней происходят различные явления. Для упрощения понимания этого вопроса, был введен параметр скольжение S – разность скоростей вращения магнитного поля статора, от скорости вращения ротора:
Эти скорости обозначают буквенно: n – скорость вращения ротора; n1 – скорость вращения магнитного поля.
Режим работы асинхронной машины зависит именно от этого значения разности скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора.
Различают следующие режимы работы асинхронных машин:
- Режим двигателя;
- Режим генератора;
- Режим электромагнитного тормоза;
- Режим динамического торможения;
Режим двигателя
Асинхронные двигатели стали очень популярна и наиболее часто применяемая в электроприводах. Режим электродвигателя применяется для приведения во вращение различные устройства, механизмы, насосы, лебедки, редуктора и т.д. путем преобразования электрической энергии в механическую. Как уже многим известно, что её принцип действия объясняется взаимодействием двух магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле статора создается системой трехфазных обмоток и магнитопровода, расположенных непосредственно на статоре (корпусе асинхронной машины). Это поля является вращающимся, так как в трех фазной цепи, ток протекает из фазы А в фазу В, из фазы В в фазу С, а из фазы С обратно в фазу А. Обмотки каждой фазы располагают на статоре так, что бы равномерно заполнить всю окружность, т.е. окружность занимает 360 градусов, имея три обмотки, делим 360/3 получаем 120 градусов на каждую обмотку.
Это вращающееся магнитное поле пронизывая ротор, индуцирует в нем ЭДС, так как ротор короткозамкнутый, то по нему протекает ток. Протекание тока вызывает образование у ротора собственного магнитного поля. Поле статора, которое вращается с скоростью n1 взаимодействует с полем ротора, которое является неподвижным, и старается остановить, затормозить поле статора. Так как ротор закреплен на подшипниках, он способен свободно вращаться вокруг своей оси. Получается, что магнитное поля статора притягивает поле ротора, увлекает его за собой с определенной силой, в результате чего и сам ротор начинает вращаться.
Особенностью этого режима является то, что скорость вращения магнитного поля статора и скорость вращения ротора не должны быть равными, тем более, скорость ротора всегда меньше. Если же каким-либо образом их скорости будут равными, то исходя из явления электромагнитной индукции, обязательна разность магнитного потока, пересекающего тот или иной контур, что и обеспечивается отставанием ротора от магнитного поля статора. Если же все-таки их скорости сравняются, по короткозамкнутой обмотке ротора перестанет протекать электрический ток, исчернит его магнитное поле и ротор не будит увлекаться полем статора. Скольжение в режиме электродвигателя должно быть положительным числом и не равным нулю.
Стоит добавить, что режим двигателя у асинхронных машин является самым часто используемым.
Режим генератора
Режим генератора у асинхронных машин является полной противоположностью режиму двигателя. Самым главным отличием является то, что при режиме двигателя, асинхронная машина потребляет из сети электрическую энергию. А в режиме генератора наоборот отдает в сеть выработанную электрическую энергию.
Режим генератора возможен только тогда, когда скорость вращения ротора n будет выше скорости вращающегося магнитного поля статора. В этом случаи скольжение S будит отрицательным. Для этого необходимо ускорить ротор синхронной машины, то есть посадить на вал ротора, какой-либо механизм (турбина, редуктор, другой двигатель).
Допустим ротор мы разогнали до 3500 оборотов в минуту, а скорость магнитного поля статора 3000 оборотов в минуту, определим скольжение:
Режим генератора у асинхронных машин не является часто используемым, и может применяться в узких специализированных областях, в маломощных электростанциях.
Стоит отметить, что при таком режиме работы, отдаваемая в сеть электроэнергия совпадает по частоте с частотой самой сети. Так как она зависит только от частоты вращения магнитного поля статора, которая как мы знаем не изменяется.
В использовании таких генераторов есть огромный плюс, в его устройстве отсутствуют скользящие контакты, вращающиеся обмотки, это обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию. Так же эти генераторы мало восприимчивы к коротким замыканиям в сети. Еще не маловажным условием работы является, наличие остаточной намагниченности ротора, которое усиливается конденсаторными установками, включенными в цепи статорных обмоток.
Режим электромагнитного торможения
Режим электромагнитного торможения является еще более специфичными специализированным. Вся суть этого режима в том, что если вращение ротора асинхронной машины не совпадает с направлением вращения магнитного поля статора, то ротор будит затормаживаться под действием этого магнитного поля статора. Такой режим возможен только при реверсивном подключении асинхронной машины, так как путем переключения двух фаз достигается изменение направления вращения магнитного поля статора, и используется в различных грузоподъемных и транспортировочных устройствах. Этот режим часто называют режимом торможения противотоком или противовключением. При таком режиме, если нам необходимо остановить двигатель, при полной остановке, статор необходимо отключить от сети, так как вал начнет вращаться в обратном направлении.
Режим динамического торможения
В таком режиме, асинхронная машина отключается от трех фазной сети, и на обмотки статора подается постоянный ток. Таким образом на статоре образуется постоянное магнитное поле (постоянный магнит), которое тормозит ротор двигателя.
Все выше представленные режимы работы асинхронных машин, кроме режима двигателя, являются специализированными, и используются только в определенных установках, устройствах, станках и т.д.
- Авторы
- Резюме
- Файлы
- Ключевые слова
- Литература
Давыдкин В.В.
1
1 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»
С конца 50-х годов ХХ в. стало активно развиваться направление, связанное с изучением асинхронной машины и ее практическим применением. В повседневной жизни большинство приборов и различных устройств питаются от источника переменного тока. В связи с этим важным направлением всегда были и остаются режимы работы электронных машин переменного тока. Можно отметить, что при работе с такими машинами были достигнуты впечатляющие результаты. Не остались без внимания и вопросы повышения качества самих машин, а также их режимов работы. Были выполнены проекты по разработке, созданию и организации выпуска электронных машин. Эти результаты послужили основной для создания различных приборов. Все достоинства асинхронных машин являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности являются асинхронными.
В данной статье рассматривается устройство асинхронной машины, различные режимы работы, преимущества и недостатки тех или иных режимов работы. Приведены условия работы асинхронной машины при различных режимах.
асинхронная машина
ротор
режимы работы асинхронной машины
переменный ток
электрическая машина
1. Вольдек А. И. Электрические машины : учебник для студентов высших учебных заведений. Л., Энергия, 1974.
2. Захаржевский О.А., Афонин В.В. Как учитывать конструкцию обмоток асинхронной машины // XLIV Огаревские чтения : материалы научной конференции: в 3 частях. Саранск, 2016. С. 297-302.
3. Захаржевский О.А., Афонин В.В. Асинхронная машина как обратимый преобразователь электрической энергии в механическую энергию // XLV Огарёвские чтения : материалы научной конференции : в 3-х частях. Саранск, 2017. С. 260-265.
4. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 928 с.
5. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высшая школа, 2002. 757 с.
Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не эквивалентна частоте вращения электромагнитного поля, создаваемого током медной обмотки статора. Асинхронные машины — это довольно распространённые электрические машины. Асинхронный означает не одновременный, что имеется ввиду, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора у асинхронных двигателей. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Статор обладает цилиндрической формой, собранный из листов стального материала. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, выполненных из обмоточного провода. Оси этих обмоток находятся в пространстве и сдвинуты на угол 120° относительно друг друга. Концы таких обмоток соединяются треугольником или звездой в зависимости от подаваемого напряжения.
Статор асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. поверхность статора является абсолютно гладкой изнутри. Для того, чтобы сбавить потери на вихревых токах, сердечник статора собирают из тонких штампованных листов стали. Ранее собранный сердечник статора нужно закрепить в корпусе из стали. В пазах статора укладывают обмотку из проволоки из меди. Начала и концы обмоток выводятся на специальный изоляционный щиток, из-за того, что фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником». Такое устройство статора является очень удобным, так как его обмотки можно включать на различные стандартные напряжения. Когда осуществляется подача напряжения на обмотку статора, то в каждой фазе создаётся магнитный поток, изменяемый частотой подаваемого напряжения. Эти потоки сдвинуты на 120° относительно друг друга, как во времени, так и в пространстве. Результирующий поток будет при этом вращающимся.
Своим вращением поток создаёт в проводниках ротора ЭДС. Из-за того, что обмотка ротора входит в замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, взаимодействующий с магнитным потоком статора, тем самым создавая пусковой момент двигателя, который стремится направить ротор в сторону вращения магнитного поля статора. Ротор начнет вращаться, когда пусковой момент двигателя достигнет значения тормозного момента ротора, а затем превысит его. При этом возникает так называемое скольжение.
Скольжение является крайне важной величиной. При начальном моменте времени скольжение равно единичному значению, но относительная разность частот становится меньше по мере возрастания частоты вращения ротора, из-за чего в проводниках ротора уменьшаются ЭДС и ток, которые влекут за собой уменьшение вращающего момента. Во время режима холостого хода, т.е. когда двигатель совершает работу без нагрузки на валу, скольжение является минимальным значением, но оно возрастает до величины критического скольжения, путем увеличением статического момента. При превышении данного значения, может произойти опрокидывание двигателя, что, впоследствии, приведет к его нестабильной работе. Значение скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для двигателей общего назначения в номинальном режиме оно составляет 1 — 8 %.
При наступлении равновесия между электромагнитным моментом, который вызывает вращение ротора, и тормозным моментом, который создает нагрузку на валу двигателя, процессы изменения величин прекратятся.
Из этого следует, что принцип работы асинхронного двигателя заключен во взаимодействии токов, наводящимся магнитным полем в роторе и самим вращающимся магнитным полем статора. Когда вращающий момент возникает тогда, когда существует разность частот вращения магнитных полей.
Ротор асинхронного двигателя, как и статор, собирается из штампованных стальных листов. В пазах ротора укладывается обмотка из медных стержней. Торцы этих стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка является обмоткой типа «беличьей клетки». При этом медные стержни в пазах не являются изолированными.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели различаются на 2 типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, собранный из стальных листов. В пазах этого сердечника заливается расплавленный алюминий, из-за чего образуются стержни, замкнутые накоротко торцевыми кольцами. Данная конструкция называется «беличьей клеткой». В двигателях с большой мощностью заливаться медь.
Фазный ротор содержит трёхфазную обмотку, практически не отличающуюся от обмотки на статоре. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединены звездой, где свободные концы подводятся к контактным кольцам. При помощи щёток, подключенных к кольцам, можно ввести дополнительный резистор в цепь обмотки ротора. Этот резистор нужен для того, чтобы изменять активное сопротивление в цепи ротора, которое способствует уменьшению больших пусковых токов.
Асинхронный двигатель с фазным ротором обычно применяется в электродвигателях с большой мощностью и в случаях, во время начала движения с места, электродвигатель создавал большое усилие, когда это необходимо. Достигается это путем включения в обмотки фазного двигателя пускового реостата.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели запускаются двумя способами:
1) Подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя.
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора.
Пуск двигателя в ход происходит с соединения «звездой» обмоток статора, а когда ротор достигает нормального числа оборотов, соединение переключается на форму «треугольника».
При этом способе ток пуска двигателя в подводящих проводах уменьшается в 3 раза если сравнивать с тем током, что возникал бы во время пуска двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Но данный способ пригоден лишь в тех случаях, когда статор предназначен для нормальной работы при его соединении «треугольником».
Более простым, дешевым и довольно надежным является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, правда этот двигатель имеет некоторые недостатки — малое усилие во время трогания с места и большим пусковым током. Данные недостатки в значительной мере можно устранить путем применения фазного ротора, правда такое применение значительно повысит двигатель в его стоимости и будет требовать пусковой реостат.
Самое большое применение получили машины с трехфазной симметричной разноименно полюсной обмоткой на статоре, которая питается от сети переменного тока. Также применение нашли асинхронные машины с трехфазной или многофазной симметричной разноименно полюсной обмоткой на роторе. Обычно асинхронные машины используются как двигатели, когда как генератор они применяются очень редко.
Асинхронный двигатель является самым распространенным типом двигателя переменного тока. Если ротор асинхронной машины находится в неподвижном состоянии, либо же частота вращения ротора меньше синхронной, то вращающееся электромагнитное поле проходит через электрические проводники медной обмотки ротора и соответственно индуцирует в них электродвижущую силу, под воздействием которой по медной обмотке ротора двигателя течёт ток. На электрические проводники с током данной обмотки ротора, находящимся в электромагнитном поле медной обмотки возбужденного состояния, действуют силы магнитного воздействия определённого размера. Из-за прикладываемого усилия порождается магнитный вращающий момент, который тянет ротор за электромагнитным полем [2].
Если данный вращающий момент достаточно велик, то ротор электрической машины приходит в динамическое вращение, и его средняя рабочая частота вращения соответствует равенству имеющегося магнитного момента тормозному, созданного механической нагрузкой на валу электродвигателя, механическими силами вентиляции, трения в подшипниках и т.д. Частота вращения ротора электрической машины не соответствует частоте вращения электромагнитного поля, т.к. в этом случае угловая скорость вращения электромагнитного поля по сравнению с токопроводящей обмоткой ротора становится равна нулю, в следствии этого электромагнитное поле не будет индуцировать в уже доступной обмотке ротора электродвижущую силу и создавать крутящий момент.
Если ротор электрической машины, которая включена в сеть, вращать при помощи двигателя в направлении вращающегося поля статора, тогда движение ротора по сравнению с полем статора изменится, из-за того, что ротор будет обгонять поле статора.
Скольжение же при этом станет отрицательным, а направления электродвижущей силы Е1, находящейся на обмотке статора, и тока I1 изменятся на противоположное. В результате этого электромагнитный момент ротора также изменит направление превратившись из вращающего в противодействующий. В этих условиях электрическая машина из двигательного режима переходит в генераторный режим, последствием преобразования механической энергии двигателя в электрическую [3].
В следствии того, что в режиме генератора электрической машины, условия создания вращающегося поля статора будут такими же, что и в двигательном режиме, и потребление намагничивающего тока I0 происходит от сети, то электрическая машина в генераторном режиме обладает определенными свойствами: потребление реактивной энергии от сети, которая необходима для создания вращающегося поля статора, но происходит отдача активной энергии в сеть, получаемой во время преобразования механической энергии двигателя [3]. Работа асинхронных генераторов возможна лишь тогда, когда она происходит в совместной работе с синхронными генераторами, необходимыми как источники реактивной энергии.
В отличие от синхронных генераторов, асинхронные не подвержены опасностям выпадения из синхронизма. Асинхронные генераторы не получили большого распространения. Это объясняется рядом их недостатков в сопоставлении с синхронными генераторами.
Одним из главных недостатков является то, что асинхронные генераторы обладают большой реактивной мощностью, затрачиваемой ими от сети. Величина этой мощности пропорциональна намагничивающему току и даже может достичь 25 – 45 % от номинальной мощности машины [4]. Следовательно, для работы нескольких асинхронных генераторов нужно использовать один синхронный генератор такой по величине мощности, которая равна мощности одного асинхронного генератора.
Без включения в общую сеть, асинхронный генератор может работать и в автономных условиях. Но в этом случае, чтобы получить реактивную мощность необходимую для намагничивания генератора, нужно использовать батарею конденсаторов, которые, в свою очередь, включены параллельно нагрузке на выводах генератора.
Наличие остаточного намагничивания является одним из условий работы асинхронных генераторов, которое необходимо для самовозбуждения генератора. Электродвижущая сила создает небольшой реактивный ток как в обмотке статора, так и в цепи конденсатора, усиливающий остаточный поток. Далее процесс развивается также, как и в генераторе постоянного тока параллельного возбуждения. С помощью изменения емкости конденсаторов можно регулировать величину намагничивающего тока, а также, и величину напряжения генераторов [5]. Из-за чрезмерных величин и высоких стоимостей конденсаторных батарей, асинхронные генераторы с самовозбуждением не получили большого распространения. Следовательно, такие генераторы применяются лишь на вспомогательных электростанциях, в таких как ветросиловые установки.
Тормозной режим электрической машины применяется лишь при необходимости быстрой остановки момента вращения ротора двигателя. Данный режим создается противовключением двигателя. Чтобы его совершить, нужно направить вращение магнитного поля статора в противоположную сторону. Для этого достаточно переключить любую пару проводов, которые соединяют обмотку статора с сетью, посредством изменения порядка следования фаз на зажимах статора. В начальный период времени, после переключения проводов, инерциальные силы вращающихся частей двигателя и исполнительного механизма продолжают совершать вращение ротора в прежнем направлении, когда вращающееся поле статора начинает вращаться в противоположном направлении [1].
В итоге получаем, что электромагнитная мощность машины в режиме тормоза составляет лишь малую долю электрических потерь в роторе. Когда большая часть этих потерь уходит на вращающиеся по инерции части двигателя и исполнительного механизма.
К недостаткам данного способа торможения следует отнести: большие потери энергии, значительные броски тока во время переключения проводов на обмотках статора. Двигатели с контактными кольцами включают сопротивление, чтобы ограничить бросок тока при торможении. Кроме того, во время торможения двигателя данным способом нужно отключить его от сети в момент его остановки, иначе ротор начнет вращаться в другом направлении.
Таким образом, существуют три режима работы асинхронной машины: движущий режим, генераторный режим и режим тормоза. Каждому из данных режимов соответствует определенный диапазон изменения коэффициента скольжения: когда в двигательном режиме скольжение может изменяться от нуля до единицы, в генераторном – от нуля до минус бесконечности, а в тормозном – от единицы до плюс бесконечности.
Библиографическая ссылка
Давыдкин В.В. АСИНХРОННАЯ МАШИНА И ЕЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 6.
;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=17913 (дата обращения: 02.03.2023).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)
Способы торможения. Тормозные режимы возникают в машине естественно при определенных условиях работы или создаются искусственно с целью ускорения процесса остановки двигателя. Торможение может быть: генераторное (с отдачей энергии в сеть), торможение противовключением и динамическое.
Генераторный режим асинхронной машины и генераторное торможение. Асинхронная машина, работающая в режиме генератора, приводится во вращение посторонним двигателем в направлении вращения поля статора. Частота вращения ротора п в генераторном режиме больше частоты вращения поля n1(n>n1), поэтому скольжение s будет отрицательным и наводимая ЭДС в обмотке статора E1>U. В результате ток статора I1 меняет фазу на 180°. Электромагнитная сила также изменяет направление и возникающий момент противодействует вращению ротора.
Для создания вращающегося магнитного поля необходима реактивная мощность, соответствующая намагничивающему току I1к.р..
Необходимость в реактивной мощности ограничивает широкое применение асинхронного генератора.
Генераторное торможение возникает в описанном выше генераторном режиме за счет противодействующего электромагнитного момента. Например, в грузоподъемной машине при опускании груза частота вращения ротора п может стать больше частоты вращения поля n1. Тогда электромагнитный момент изменяет свой знак и становится тормозным.
3.15.3. Торможение противовключением. Этот способ осуществляется изменением направления вращения поля в работающем двигателе путем переключения любых двух фаз (рис. 3.32). На рисунке показано переключение фаз А и В.
Когда машина работает в двигательном режиме, переключатель находится в нижнем положении 1. При торможении он перебрасывается в положение 2, фазы А и В меняются местами. Поле при этом будет вращаться в противоположном направлении, а электромагнитный момент изменит направление на противоположное.
Рис. 3.32 Рис. 3.33
Под влиянием сил инерции ротор будет продолжать вращаться в прежнем направлении, а электромагнитный момент будет его тормозить. Механическая характеристика 2 при торможении показана на рис. 3.33. Торможение происходит путем перехода из точки а двигательного режима (характеристика 1) в точку b тормозного режима и далее по тормозной характеристике 2 частота вращения падает до нуля (точка с). Когда частота вращения ротора становится равной нулю, двигатель надо отключить от сети, так как в противном случае ротор начнет вращаться в противоположном направлении.
Динамическое торможение. Этот способ осуществляется путем отключения статора от сети переменного тока и включения обмотки статора на сеть постоянного тока (рис. 3.34). В двигательном режиме замкнуты контакты К1 и разомкнуты контакты К2. В тормозном режиме контакты К1 разомкнуты, а К2 замкнуты. В результате МДС статора создает неподвижное магнитное поле.
Взаимодействие магнитного поля статора с током ротора создает на валу двигателя тормозной момент. Механические тормозные характеристики показаны рис. 3.35. В этом случае ротор тормозится до полной остановки без дополнительных устройств.
