Синхронные машины

Содержание

 

1. Общие сведения………………………………………………………………………………..3

 

2. Устройство трехфазной асинхронной машины……………………………………….……..3

 

3. Режим работы трехфазной асинхронной  машины…………………………………………..4

 

4. Вращающееся магнитное  поле статора асинхронного двигателя…………………………..5

 

5. Вращающееся магнитное  поле ротора и рабочее вращающее  магнитное поле Ас.М…….6

 

6. Универсальная характеристика Ас.М……………………………………………….……......7

 

7. Пуск ас.дв. в ход……………………………………………………………………….………8

 

8. Методы регулирования  частоты вращения Ас.Дв..................................................................9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения.

 

Из  числа различных видов современных  электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная  бесколлекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина (Ас.М.)— это машина, в которой при работе возбуждаются вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М.О.Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель. Ас.М. состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещённых на общем сердечнике, и помещённой между ними четвертой, вращающейся катушки.

Ас.М. малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.

Общий недостаток Ас.М. — это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.

 

2. Устройство трехфазной асинхронной машины.

 

Трехфазная Ас.М. состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

• Конструкция статора. Статор Ас.М. представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака (рис.1). В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга.

 Фазные обмотки соединяются  между собой звездой или треугольником  и подключаются к трехфазной  сети. Токи в фазных обмотках  возбуждают в машине вращающееся  магнитное поле статора с числом  пар полюсов p, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/ p.

Для укладки многовитковой катушечной группы в пазах статора ее разделяют  на q последовательно соединенных секций по w_c витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намотки y. В первом случае стороны каңдой секөии сдвинуты по окруңности статора на угол 180°/ p, что соответствует одному полюсному делению y=τ,т.е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс. Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга, т.е. их шаг намотки τ<y< τ.

Распределение фазных обмоток по нескольким пазам  не только улучшает использование цилиндрической конструкции статора, но и обуславливает  необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между  статором и ротором.

Сердечник статора изготавливается с открытыми  или полуоткрытыми пазами, применение полуоткрытых пазов уменьшает магнитное  сопротивление и, следовательно, намагничивающий  ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность изоляции.

• Конструкция ротора. Ас.М. в основном различаются устройством ротора. Ротор Ас.М. представляет собой цилиндрический сердечник (рис.2), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный на подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (т.н. «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контактными кольцами, выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные на неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату (рис.3). Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить условия пуска двигателя — уменьшить пусковой ток и увеличить начальный вращающий момент, кроме того, при помощи реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

На  рисунке 4 приведены условные обозначения  Ас.М. с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором на схемах замещения.

 

 

 

3. Режим работы трехфазной асинхронной машины.

Режим работы трехфазной Ас.М. определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает  ротор вращаться по направлению  вращения поля. Но чем быстрее вращается  ротор, тем меньше индуктируемые  в его обмотке ЭДС, а, следовательно, и токи. Если частота вращения поля n₁, а частота вращения ротора n, то режим работы Ас.М. можно характеризовать скольжением

На  рисунке 5 построена линейная характеристика n(s) по (1). В зависимости от значения скольжения s трехфазная Ас.М. может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0< s <1) трехфазная Ас.М. преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, 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) трехфазная Ас.М. преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (s>1) ротор трехфазной Ас.М. вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия.

 

4. Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя.

 

Токи  обмоток статора, подключенных к  трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора, которое индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или пусковыми реостатами) обмотке ротора. Токи ротора, возникающие под действием ЭДС, возбуждают вращающееся магнитное поле ротора. Частота и направление вращения этих полей одинаковы, что обуславливает результирующее вращающееся магнитное поле, называемое рабочим полем машины.

Рассмотрим  характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута. Характеристики этого поля зависят от геометрического расположения фазных обмоток на статоре машины.

• Двухполюсное вращающееся поле. Для получения двухполюсного вращающегося поля необходимо три одинаковые фазные обмотки расположить на статоре так, чтобы углы между их осями были равны 120º. Если фазные обмотки соединить звездой и подключить к трехфазной сети питания, то токи в витках катушек будут равны

 

Токи  фазных обмоток создают магнитные  поля.

Сумма векторов этих магнитных  индукций образует магнитную индукцию поля статора. Опишем поле статора через  его составляющие по двум взаимно  перпендикулярным осям x и y, причем оси x дадим направление оси катушки фазы А.

Составляющая  индукции магнитного поля вдоль оси x равна алгебраической сумме проекций на эту ось мгновенных значений трех индукций:

 

Подставив выражения индукций из (2), получим

Составляющая  индукции магнитного поля по оси y

 

или после подстановки значений индукции из (2)

Таким образом, магнитная индукция поля статора

 

т.е. ее значение постоянно. Угол α, образуемый магнитными линиями поля с осью y, определяется условием

т.е.

 

Следовательно, магнитное статора вращается  в плоскости осей катушек по направлению  движения часовой стрелки с угловой  скоростью ω. Вектор индукции поля последовательно  совпадает по направлению с осью той из фазных обмоток, ток в которой  достигает максимального значения, т.е. поле вращается в направлении последовательности фаз трехфазной системы токов в трехфазных обмотках.

Чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, достаточно изменить порядок  подключения двух любых фазных обмоток  Ас.М. к трехфазному источнику электрической энергии.

фазных  обмоток на статоре машины.

• Многополюсное вращающееся поле. В многополюсной обмотке статора каждой паре полюсов вращающегося поля соответствует одна катушечная группа в каждой обмотке, т.е. всего три катушечные группы для трехфазных обмоток. Следовательно, если поле должно иметь р пар полюсов, то все три фазные обмотки статора должны быть разделены на k=3р равных частей, т.е. р частей на каждую фазу.

 

5. Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас.М.

 

Обмотка короткозамкнутого  ротора состоит из N стержней. Между ЭДС, индуктированными вращающимся магнитным полем статора в двух соседних стержнях, сдвиг фаз равен 360°p/N. Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней, m₂=N, а число витков в каждой фазе w₂=1/2.

Аналогично  цепь фазного ротора представляет собой  трехфазную систему m₂=3 с числом витков w₂ в каждой фазе. Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к фазе ротора, будут отмечаться индексом 2, а относящиеся к фазе статора — индексом 1.

Примем  сначала, что цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней отсутствует, на ротор не действуют электромагнитные силы и он неподвижен. В этом случае магнитное поле машины представляет собой только вращающееся магнитное  поле статора.

При неподвижном роторе индуктированной  в его обмотке ЭДС равна частоте f токов в цепи статора. Если ротор вращать с частотой n вслед за вращающимся полем статора, то  частота индуктированной в его обмотке ЭДС уменьшится. Эту частоту  f₂ можно определить из выражения    n₁=f·60/p,  в котором вместо частоты вращения поля статора n₁ нужно подставить разность n₁ - n, т.к. вращающееся магнитное поле статора пересекает витки обмотки ротора только вследствие того, что частота его вращения n меньше, чем поля статора n₁:          f₂=p(n₁-n)/60.

Если  теперь цепь ротора замкнуть, то токи в  ней образуют многофазную систему  с m₂=N фазами в случае короткозамкнутого ротора и с m₂=3, т.е. трехфазную в случае фазного ротора. Следовательно, токи в обмотке ротора аналогично токам в обмотке статора должны возбуждать вращающееся магнитное поле. Частоту вращения n_отн этого поля относительно ротора можно определить, пользуясь общим выражением частоты вращения многополюсного поля n₁=f·60/p:     n_отн = f₂·60/p.

Т.к. сам ротор вращается в том  же направлении с частотой n, то его поле вращается в пространстве с частотой n_отн + n = (n₁ – n) + n = n₁,    т.е. поле ротора вращается синхронно с полем статора.

Т.о., вращающиеся поля статора и ротора по отношению друг к другу остаются неподвижными, что является характерным  условием полной передачи энергии от статора к ротору. Складываясь, вращающиеся магнитные поля статора и ротора образуют рабочее вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя. Рабочее вращающее поле в ас.дв. Служит таким же связующим звеном между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, передающее энергию от первичной к вторичной обмотке.

В дальнейшем вместо термина рабочее вращающееся магнитное поле будем пользоваться сокращенным — вращающееся магнитное поле ас.дв.

Различают несколько режимов работы ас.дв.: нормальный режим, соответствующий номинальному скольжению ротора s=s_ном при номинальном напряжении U₁=U_1ном и токе I₁=I_1ном питающей сети; рабочий режим, при котором напряжение питающей сети близко к номинальному значению или равно ему, U₁≈U_1ном, а нагрузка двигателя определяется тормозным моментом на валу при скольжении s≤s_ном и токе I₁=I_1ном; режим пуска двигателя в ход, возникащий при подключении напряжения питающей сети и неподвижном роторе s=1.