Синхронные машины

Режим работы всех фаз статора одинаковый. То же относится к фазам ротора. Поэтому анализ работы ас.дв. можно вести для одной фазы, представив одну ее обмотку одним витком.

 

6. Универсальная характеристика Ас.М.

 

Асинхронная машина, как и все электрические  машины, обратима, т.е. в режиме двигателя  она может преобразовывать электрическую  энергию в механическую, а в режиме генератора — механическую в электрическую. Чтобы перевести ас.м. из режима двигателя в режим генератора, необходимо при помощи внешней механической силы, приложенной к валу ас.м., сообщить ротору частоту вращения, превышающую синхронную, т.е. нужно чтобы выполнялось условие n>n₁. Тогда ротор будет обгонять вращающееся магнитное поле, а провода его обмотки будут пересекать линии магнитного поля в направлении, обратном направлению пересечения при вращении в режиме двигателя. Вследствие этого направления ЭДС и токи в обмотке ротора изменяется на противоположные. В результате силы взаимодействия вращающегося поля и токов ротора также изменят свое направление на обратное и станут противодействовать вращению ротора. Мощность, развиваемая машиной, в таких случаях отрицательна, т.е. машина не потребляет энергию, а отдает ее в сеть. При таком режиме скольжение s=(n₁-n)/n₁<0.

Отрицательное скольжение — характерный признак работы ас.м. в режиме генератора.

Асинхронный генератор (ас.г.) потребляет из сети индуктивный реактивный (намагничивающий) ток, как и двигатель, и поэтому нуждается в источнике реактивной мощности. Следовательно, ас.г. не может работать независимо.

Преимуществом ас.г. является простота его устройства и обслуживания.

Если  при помощи внешней механической  силы вращать ротор против направления  вращения магнитного поля машины, то в  выражение скольжения частота вращения ротора n войдет уже с отрицательным знаком, а в таких условиях скольжение s=(n₁+n)/n₁>1.

В этих условиях направления тока в  обмотке ротора не изменится, а, следовательно, ротор будет развивать момент, противодействующий тормозному моменту, приложенному к валу машины. Последняя будет получать механическую энергию, подводимую со стороны вала, и электрическую энергию из сети. Это будет режим электромагнитного тормоза.

Такой режим применяется для быстрой  остановки двигателя или в  случае применения ас.м. для торможения приводного механизма, например в крановых и подъемных устройствах при спуске грузов.

 

7. Пуск ас.дв. в ход.

 

Важное  практическое значение асинхронных  двигателей имеют их пусковые свойства. Эти свойства в основном определяются следующими величинами: пусковым током I_пуск и начальным пусковым вращающим моментом М_{вр.пуск}, плавностью и экономичностью пускового процесса, длительностью пуска.

• Пуск ас.дв. с фазным ротором

Пусковые  условия асинхронного двигателя  с фазной обмоткой ротора можно существенно  улучшить ценой некоторого усложнения конструкции и обслуживания двигателя.

Если  в уравнении вращающего момента  положит s=1, то получим выражение начального пускового момента, т.е. момента, развиваемого двигателем при трогании с места:

 

(6)

 

Если  нужно, чтобы М_{вр.пуск}= М_вр.max т.е. чтобы при пуске двигатель развивал максимальный момент, то активное сопротивление фазной обмотки ротора должно быть

        (7)

Т.к. активное сопротивление фазной обмотки ротора относительно мало, то для получения максимального  начального пускового момента необходимо в цепь ротора включить пусковой реостат  с сопротивлением фазы

 

В этом случае зависимость М_вр(s) ас.дв. будет иметь максимум при s=1 рис

Как только ротор начинает вращаться, уменьшается  скольжение, а в месте с ним ЭДС и ток ротора, вследствие чего уменьшается вращающий момент. Чтобы двигатель продолжал развивать вращающий момент, близкий к максимальному, сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец когда двигатель достигает номинальной частоты вращения, пусковой реостат замыкают накоротко.

Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток двигатели снабжаются иногда приспособлением для подъема  щеток и замыкания колец накоротко.

Чем больше должен быть пусковой момент, чем  ближе он к максимальному моменту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо  тяжелых условий пуска реостат  подбирается так, чтобы пусковой момент был равен максимальному.

Чтобы пусковой реостат в течение времени  пуска не перегревался, его мощность должна примерно равняться мощности двигателя. Для двигателей большой  мощности пусковые реостаты изготавливаются  с масляным охлаждением.

Конечно, применение пускового реостата значительно  улучшает пусковые условия асинхронного двигателя, повышая пусковой момент и уменьшая пусковой ток.

 

 

• Пуск ас.да. с короткозамкнутым ротором

 

Такой пуск исключительно просто и быстр. Необходим лишь простой коммутирующий  аппарат, например рубильник, или для  двигателя высокого напряжения —  масляный включатель.  При прямом пуске двигателя кратность пускового  тока высока, примерно 5,5-7. Такой кратковременный  пуск относительно безопасен.

Пусковые  характеристики Ас.Дв. могут быть существенно улучшены, если обмотка ротора имеет двойную беличью клетку. Такой ротор снабжен двумя клетками, лежащими одна на другой: наружной — пусковой и внутренней — рабочей. Стержни клеток размещены соответственно в наружной и внутренней частях паза. Такое расположение клеток приводит к значительному различию их индуктивностей рассеивания. У внутренней клетки индуктивность рассеивания велика, т.к. стержни этой клетки окружены сталью, прорезанной лишь сверху узкой щелью паза, а у наружной клетки она значительно меньше, т.к. значительная часть пути линий поля рассеяния вокруг стержней проходит в воздушном промежутке между ротором и статором с большим магнитным сопротивлением и по щели паза под стержнями.

В первый момент пуска двигателя частота  токов в обмотке ротора равна  частоте сети. Т.о., при пуске двигателя  ток в роторе вытесняется из внутренней беличьей клетки. В тоже время полное сопротивление наружной клетки определяется преимущественно ее активным сопротивлением.

По  мере разбега ротора частота токов  в нем уменьшается и вместе с тем уменьшается влияние  индуктивного сопротивления на распределение  токов.

Ток наружной клетки будет меньше тока внутренней клетки, активное и полное сопротивления которой в таких  условиях малы, как у обычного двигателя  с короткозамкнутым ротором.

Упрощенным  вариантом ас.дв. с двойной беличьей клеткой является двигатель с глубоким пазом.

Двигатель с глубоким пазом ротора в конструктивном отношении проще двигателя с  двойной клеткой. Зато второй может  быть выполнен на различные начальные  моменты  и на различные кратности  пускового тока, что дает возможность  конструировать такой двигатель  для специальных случаев тяжелого пуска в ход.

 

8. Методы регулирования частоты вращения Ас.Дв.

 

• Частотное регулирование

Наиболее перспективным методом управления частотой вращения ас.дв. является регулирование частоты переменного тока в обмотках статора двигателя. Угловая скорость вращающего поля w_П =2p f / р , т.е. изменяется пропорционально изменению частоты тока f. Однако при регулировании частоты тока необходимо одновременное регулирование напряжения. Т.К. поток должен сохраняться во всех режимах одним и тем же, то напряжение должно быть пропорциональным частоте.

При оценке характера зависимости  вращающегося момента от частоты  тока в обмотках статора и от напряжения не будем учитывать в уравнении  активное сопротивление обмотки  статора r_в1 и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора x_pac1 и ротора x_pac2. Тогда вращающим момент:

где A=const

 

Следовательно, при изменении частоты тока для  поддержания вращающего момента  постоянным необходимо пропорционально изменять напряжение на обмотках статора, т.е. нужно выполнить условие U/f=const.

 

 

• Регулирование изменением числа пар полюсов.ү

При постоянной частоте сети угловая  скорость вращающегося поля зависит  только от числа пар полюсов, задаваемого  обмоткой статора. Если на статоре поместить  две отдельные обмотки — одну, образующие р пар, а другую, образующую р^\ ар полюсов, то, включив в сеть первую или вторую обмотку, получим частоту вращения поля:

n₁ = 60 f / p  или        n^\₁ = 60 f / p^|

следовательно,  n₁ / n^\₁ = p / p,^|   т.е. соответственным образом будут различаться и частоты вращения ротора двигателя. При этом обмотка ротора двигателя должна быть выполнена, как беличье колесо.

 

• Реостатное регулирование

В трехфазных Ас.Дв. с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата, как при пуске двигателя. Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику М_вр(s) — делает ее более мягкой. Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (r_p1<r_p2<r_p3), то рабочая точка будет с одной кривой М_вр(s) на следующую, соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора, соответственно чему растет скольжение, а, следовательно, уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии.