Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Однако преобладающее применение имеют асинхронные двигатели, составляющие основу современного электропривода.
Асинхронная машина состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора - вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками. По своей конструкции асинхронные машины разделяются на два вида: с короткозамкнутым ротором («беличье колесо»)и с фазным ротором. Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором имеют наиболее широкое применение.
Общий вид трехфазной асинхронная машина с короткозамкнутым ротором 1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы
Статор бесколлекторной машины переменного тока состоит из корпуса 1, сердечника 2 и трехфазные обмотки 3. Сердечник статора имеет шихтованную конструкцию. Пластины предварительно покрывают с двух сторон тонкой изоляционной пленкой, например слоем лака. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются проводники обмотки статора. Обмотка статора выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения.
Расположение катушек в пазах сердечника статора Простейшим элементом статорной обмотки является виток, состоящий из двух или нескольких параллельных проводников 1 и 2, которые размещены в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии у. Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Иногда их называют секциями. Их укладывают таким образом, чтобы в каждом пазу были размещены одна сторона катушки или две стороны разных катушек — одна над другой. В соответствии с этим различают одно- (а) и двухслойные обмотки (б).
Стороны обмотки, расположенные в пазах называются пазовые стороны 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2. . Каждая катушка здесь представляет собой фазную обмотку, каждая фаза которой сдвинута относительно друг друга на 120 º
В соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток статора обозначают следующим образом: Первая фаза:начало С1 — конец С4 Вторая фаза: начало С2 — конец С5 Третья фаза: начало СЗ — конец С6 (расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора соединяются звездой или треугольником (б) )
Виды роторов АМ . Короткозамкнутый ротор В короткозамкнутых роторах пазы заливаются алюминием; при этом образуются стержни беличьей клетки. Одновременно отливаются короткозамыкающие торцовые кольца. Для такой обмотки принимают количество фаз m равным количеству стержней.
В пазы ротора укладывают з-х фазную всыпную обмотку из круглого провода. Обмотка фазного ротора аналогична обмотке статора. Для получения синусоидального распределения магнитного поля, созданного обмоткой принимаются аналогичные технические меры: укорачивают шаг обмотки, делают распределение обмотки и скос пазов. Три конца от фазных обмоток присоединяются к контактным кольцам, установленным на вал машины.
Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором
Если перемещать со скоростью V проводник длиной в магнитном поле с индукцией В, то индуцированная в проводнике ЭДС ( по закону электромагнитной индукции) будет равна Е =B·V· Если в проводнике длиной протекает ток I и он находится в магнитном поле с индукцией В, то возникает электромагнитная сила F эм ( по закону электромагнитного взаимодействия ) равная F эм = B· ·l На этих положениях основывается работа генератора и двигателя электрических машин
Принцип работы асинхронного двигателя При появлении в трехфазной обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле (основное свойство тока возбуждать вокруг себя магнитное поле) с частотой вращения n 1 где f - частота сети, гц; р –число пар полюсов магнитного вращающегося поля. Это магнитное поле, сцепляясь с короткозамкнутой (или фазной) обмоткой ротора, (по закону электромагнитной индукции) наводит в ней ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи, которые при взаимодействии с вращающимся магнитным полем статора создают электромагнитные силы F эм (по закону эдектромагнитного взаимодействия), направление которых определяется по правилу «левой руки» и стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора с частотой вращения n 2. Вращающееся магнитное поле статора (полюсы N 1 и S 1 ) сцепляется как с обмоткой ротора, так и с обмоткой статора и наводит в ней ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.
Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n 2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n 1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя n 2 < n 1.
Весьма важным параметром асинхронной машины является с кольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора: s = ( n 1 – n 2 )/ n 1 Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. В последнем случае величину, полученную по данной формуле следует умножить на 100. Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора n 2 уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне 0 < s ≤ 1.
В зависимости от параметра s различают следующие режимы работы АМ:
В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы: МДС статора и МДС ротора. Совместным действием эти МДС наводят в магнитной системе двигателя результирующий (основной) магнитный поток Ф, вращающийся относительно статора с синхронной частотой вращения n 1. Рассмотрим, какие ЭДС наводит этот поток в обмотках двигателя.
ЭДС в каждой неподвижной фазной обмотке статора : E 1 = 4,44 f 1 Ф ω 1 k об1. где f 1 - частота ЭДС (тока) статорной обмотки; ω 1 – число витков одной фазы обмотки; k об1 – обмоточный коэффициент статорной обмотки; 2. ЭДС обмотки ротора: неподвижного ротора ( n 2 = 0, s=1) Е 2 = 4,44 f 1 Ф ω 2 к об2 (наибольшее значение ЭДС и большие токи). Поэтому в моменты когда (например, при пуске двигателя, при создании аварийной ситуации когда ротор может быть заторможен) приходится принимать меры для ограничения токов ротора. вращающегося ротора Е 2 s = 4,44 f 2 Ф ω 2 к об2 = 4,44 f 1 Ф ω 2 к об2 s где f 2 - частота ЭДС (тока) в роторе, равная f 2 = f 1 · s, Гц; ω 2 — число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки ротора; k o 62 - обмоточный коэффициент обмотки ротора; Связь ЭДС неподвижного и вращающегося ротора: E 2 s = 4,44 f 1 Ф ω 2 k об2 s = E 2 s
Схема замещения моделирует процессы происходящие в асинхронном двигателе. На рис. представлена Т-образная схемы замещения АД. Магнитная связь обмоток статора и ротора в асинхронном двигателе с учетом магнитных потерь на схеме замещения заменена электрической связью цепей статора и приведенного ротора. R 1, - моделируют активные потери в обмотках статора и приведенного ротора; X 1, - моделируют потери рассеяния в обмотках статора и приведенного ротора; R 0, X 0 - потери в магнитопроводе двигателя; - передаваемую в приведенный ротор мощность, которая зависит от частоты его вращения.
Пересчет реальных параметров обмотки ротора на приведенные выполняется по формулам, аналогичным формулам приведения параметров вторичной обмотки трансформатора : При s = 1 приведенная ЭДС ротора E / 2 = E 2 k e, где k e = E 1 / E 2 = k o б1 ω 1 /( k o б2 / ω 2 ) - коэффициент трансформации напряжения в асинхронной машине при неподвижном роторе. Приведенный ток ротора I / 2 = I 2 / k i, где k i = m 1 ω 1 k o б1 / ( m 2 ω 2 k o б2 ) = m 1 k e / m 2 - коэффициент трансформации тока асинхронной машины ; k o б1 и k o б2 – обмоточные коэффициенты соответственно статорной и роторной обмоток, учитывающие неодновременность достижения максимума потокосцепления в каждой из обмоток ; m 1 и m 2 -число фаз соответственно статорной и роторной обмоток (для АД с фазным ротором m 1 = m 2 ).
Активное и индуктивное приведенные сопротивления обмотки ротора: R / 2 = R 2 k e k i ; Х / 2 = Х 2 k e k i. В отличие от трансформаторов в асинхронных двигателях коэффициенты трансформации напряжения k е и тока k i не равны ( k е ≠ k i ). Объясняется это тем, что число фаз в обмотках статора и ротора в общем случае не одинаково ( m 1 ≠ m 2 ). Лишь в двигателях с фазным ротором, у которых m 1 = m 2, эти коэффициенты равны.
Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р 2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Р 1 на величину потерь Δ Р : Р 2 = Р 1 - Δ Р Потери Δ Р преобразуются в теплоту, что в конечном итоге ведет к нагреву машины.
Р мех
Р 1 -активная составляющая мощности, потребляемая двигателем. Р М1 - активная составляющая мощности потерь в обмотке статора. P C - мощность потерь в сердечниках статора и ротора на гистерезис и перемагничивание. P M2 - активная составляющая мощности потерь в обмотке ротора Р МЕХ - механические потери, связанные с вращением ротора. Они включают в себя трение в подшипниках, трение ротора с воздухом, вентиляционные потери. Р ЭМ - электромагнитная мощность которая передается от статора к ротору электромагнитным путем P 2 - мощность на валу электродвигателя Тогда полные потери мощности составят: Δ Р = Р М1 + P M2 + P C + Р МЕХ
Из диаграммы видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р 1 = m 1 U 1 I 1 cos φ 1 затрачивается в статоре на магнитные Р с и электрические потери в меди обмоток статора Р м1. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Р эм передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери в меди обмоток ротора Р м2 и. Часть на покрытие механических Р мех, а оставшаяся часть этой мощности Р 2 составляет полезную мощность двигателя. У асинхронного двигателя КПД η = Р 2 / Р 1 =(Р 1 - Δ Р)/ Р 1 =1- Δ Р/ Р 1 КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт η ном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 кВт η ном =90 ÷ 94%. Электрические потери в обмотках Р м1 и Р м2 являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора. Магнитные Р м и механические Р мех, практически не зависят от нагрузки и считаются постоянными.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АД Зависимость момента от скольжения M = f ( s ) при U 1 = const, f 1 = const и постоянных параметрах схемы замещения называется механической характеристикой асинхронной машины.
На этой характеристике указаны зоны, соответствующие различным режимам работы: двигательный режим (0 < s ≤ 1), когда электромагнитный момент М является вращающим; генераторный режим ( - ∞ < s < 0) и тормозной режим противовключением (1 < s < + ∞), когда электромагнитный момент М является тормозящим. Упрощенные выражения критического скольжения S кр ≈ ± R / 2 /( x 1 + x / 2 ) и максимального момента (Н м) M max = ± ( m 1 U 2 1 p )/ [ 4 π f 1 (х 1 + x / 2 ) ]
Для анализа работы асинхронного двигателя удобнее воспользоваться механической характеристикой M = f ( s ), представленной на рис. При включении двигателя в сеть магнитное поле статора, не обладая инерцией, сразу же начинает вращение с синхронной частотой n 1, в то же время ротор двигателя под влиянием сил инерции в начальный момент пуска остается неподвижным (n 2 = 0) и скольжение s = 1 (М п – пусковой момент)
Далее под действием пускового момента М п начинается вращение ротора двигателя, при этом скольжение уменьшается, а вращающий момент возрастает в соответствии с характеристикой М = f ( s ). При критическом скольжении s кр момент достигает максимального значения М m ах. С дальнейшим нарастанием частоты вращения n 2 (уменьшением скольжения) момент М начинает убывать, пока не достигнет установившегося значения М ном, равного сумме противодействующих моментов, приложенных к ротору двигателя: момента х.х. M 0 и полезного нагрузочного момента (момента на валу двигателя) М 2, т. е. М ном = М 0 + M 2 и s = s ном, Из анализа механической характеристики следует, что устойчивая работа асинхронного двигателя при s < s кр (участок АО), при s ≥ s кр – неустойчивая. Таким образом, предел устойчивой работы - максимальное значение электромагнитного момента М m ах соответствующего критическому скольжению s кр.
С уменьшением напряжения сети частота вращения ротора снижается (скольжение увеличивается).
с увеличением r 2 ' при неизменном нагрузочном моменте М ст скольжение увеличивается, т.е. частота вращения уменьшается (точки 1, 2, 3 и 4)
Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n 2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М 2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I 1 от полезной мощности Р 2 при U 1 = const f 1 = const.
Скоростная характеристика n 2 = f ( P 2 ). По мере увеличения нагрузки на валу возрастают электрические потери в роторе Зависимость М 2 = f ( P 2 ). Зависимость полезного момента на валу двигателя М 2 от полезной мощности Р 2 определяется выражением M 2 = Р 2 / ω 2 = 60 P 2 / (2πn 2 ) = 9,55Р 2 / n 2, Из этого выражения следует, что если n 2 = const, то график М 2 = f 2 (Р 2 ) представляет собой прямую линию. Зависимость cos φ 1 = f ( P 2 ). В связи с тем что ток статора I 1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I 1 и коэффициент мощности возрастает . Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cos φ 1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора ( x 2 s ) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.
Одним из недостатков асинхронных двигателей является низкий пусковой момент, если не принять соответствующие меры. В качестве таких мер используют: а) выбор материала обмотки ротора с высоким сопротивлением; б) специальную конфигурацию паза обмотки ротора (делают глубокий паз); в) двойную беличью клетку. Для учета пускового момента при выборе двигателя в каталогах обычно приводят кратность пускового момента равную :
Частота вращения ротора асинхронного двигателя n 2 = n 1 (1 - s ) = ( f 1 60/ p )( l - s ). Из этого выражения следует, что частоту вращения ротора асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой - либо из трех величин: скольжения s, частоты тока в обмотке статора f 1 числа пар полюсов в обмотке статора р.
1. Регулирование частоты вращения изменением скольжения s возможно тремя способами: -изменением подводимого к обмотке статора напряжения, -нарушением симметрии этого напряжения -изменением активного сопротивления обмотки ротора. 2. Регулирование частоты вращения изменением частоты тока в статоре – с помощью источника питания двигателя переменным током с регулируемой частотой (электромашинные, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты ПЧ). 3. Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора - либо укладкой на статоре двух обмоток с разным числом полюсов, либо укладкой на статоре одной обмотки, конструкция которой позволяет путем переключения катушечных групп получать различное число полюсов. Последний способ получил наибольшее применение.
Мощности от 0,06 до 400 кВт с высотами оси вращения h : 50,56,63, 71,80,90, 100, 112, 132, 160, 180,200,225,250,280,315 и 355 мм. Двигатели каждой высоты оси вращения выполняются двух типоразмеров с разной длиной пакетов сердечников, но одинаковым штампом их пластин. Двигатели изготовляются на синхронные частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 об/мин. Двигатели серии 4А изготовляются в двух исполнениях: закрытое обдуваемое (а) и защищенное с внутренней самовентиляцией (рис. б). Двигатели закрытого исполнения всего диапазона осей вращения изготовляются с короткозамкнутым ротором, а осей вращения 200, 225 и 250 мм — еще и с фазным ротором ( 4АК ). Двигатели защищенного исполнения изготовляются с короткозамкнутым ротором (4АН) при высоте оси вращения h > 160 мм, а при высоте оси вращения h > 200 мм еще и с фазным ротором (4АНК). Асинхронные двигатели серии 4А предназначены для самого широкого применения во всех отраслях хозяйства, а поэтому они помимо основного исполнения, имеют несколько модификаций и специализированных исполнений.
а) двигатели с повышенным скольжением, с «мягкой» механической характеристикой (4АС); короткозамкнутая обмотка этих двигателей имеет повышенное активное сопротивление; б) двигатели с повышенным пусковым моментом, имеющие двойную клетку на роторе (4АР); в) многоскоростные двигатели — на две, три и четыре частоты вращения в диапазоне от 500 до 3000 об/мин; г) двигатели на частоту 60 Гц, имеющие частоту вращения на 20 % выше, чем двигатели основного исполнения при той же мощности; д) двигатели малошумные (с улучшенной балансировкой, с подшипниками более высокого класса и т.д.); е) двигатели со встроенным электромагнитным тормозом (для электроприводов с частыми пусками); к) двигатели, встраиваемые в механизмы, приводимые ими во вращение (4АВ); з) двигатели лифтовые двухскоростные со встроенной температурной защитой, малошумные для привода лифтов в жилых и промышленных зданиях и др.
Двигатели этой серии имеют общепромышленное назначение. Они изготавливаются с высотами осей вращения от 45 до 355 мм мощностью от 0,025 до 315 кВт на напряжение 220/380 и 380/660 В, частотой 50 Гц. Возможно изготовление двигателей на частоту тока 60 Гц. По степени защиты двигатели этой серии имеют исполнения: закрытое обдуваемое для всех высот оси вращения или защищенное с внутренней самовентиляцией для высот оси вращения от 160 до 355 мм. В отличие от серии 4А в двигателях серии АИ более широко использованы высокопрочные алюминиевые сплавы и пластмассы и применена более совершенная система вентиляции, обеспечивающая снижение температуры нагрева двигателей при номинальной нагрузке на 10—20 °С относительно двигателей серии 4А. Для наиболее массового отрезка серии с высотами осей вращения от 71 до 100 мм применены подшипники с улучшенными виброакустическими характеристиками. Улучшение вентиляционного и подшипниковых узлов обеспечило двигателям серии АИ снижение уровня шума и повышение надежности.
Для привода ряда промышленных установок требуются двигатели большой мощности: 500, 800, 1000 кВт и более. Обычно асинхронные двигатели такой мощности делают высоковольтными — на 6000 или 10 000 В. Различают следующие серии: АН2 применяют для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, например мощных вентиляторов, насосов и т. п. Двигатели этой серии изготовляются мощностью от 500 до 2000 кВт при частоте вращения (синхронной) 1000, 750, 600, 500 и 375 об/мин. Двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть напряжением 6000 В, частотой 50 Гц. АН32 также являются высоковольтными (6000 В), но, в отличие от двигателей серии АН2, они имеют закрытое исполнение с вентиляцией от постороннего вентилятора. Двигатели этой серии имеют мощность от 500 до 2000 кВт. АТД2 изготавливаются мощностью от 1000 до 5000 кВт; напряжением питания 6000 В. В отличие от ранее рассмотренных, двигатели этой серии выполняются и со стояковыми подшипниками скольжения. Система вентиляции двигателей радиальная симметричная, разомкнутая или замкнутая.
Применяют для привода крановых механизмов общепромышленного назначения, а также других агрегатов, работа которых характеризуется частыми пусками и остановками, большими перегрузками. МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором)- для привода механизмов, работающих в тяжелых условиях металлургического производства при повышенной температуре окружающей среды.
