21. Электрические машины переменного тока Асинхронная машина переменного тока. Конструкция, режимы работы, механические характеристики

Асинхронный двигатель состоит (рис. 21.1) из двух основных частей — неподвижной, называемой статором и вращающейся части, называемой ротором.

Рис.21.1. Асинхронная машина переменного тока

Статор содержит:

1. корпус, выполненный из стали или алюминиевых сплавов;

2. сердечник, представляющий из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, на внутренней поверхности, которого имеются пазы, в которые укладывается и закрепляется обмотка статора;

3. обмотку, состоящую из трех одинаковых фазных обмоток (катушек), расположенных в пазах сердечника статора и сдвинутых в пространстве под углом в 120 градусов друг относительно друга. Выводы обмотки статора соединяются по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор содержит:

1. вал, изготовленный из стали;

2. сердечник ротора, закреплённый на валу который представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На внешней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается обмотка ротора;

3. обмотку ротора.

В зависимости от типа обмотки различают две конструкции ротора: ротор с короткозамкнутой обмоткой и ротор с фазной обмоткой.

Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из алюминиевых или медных стержней, уложенных по одному стержню в каждый паз сердечника ротора. Выступающие торцы стержней соединяют между собой (закорачиваются) кольцами, которые изготавливаются из того же материала, что и стержни. Таким образом, при помощи колец стержни обмотки замыкаются накоротко.

Обмотка фазного ротора имеет такую же конструкцию, что и обмотка статора, т.е. состоит из трех (катушек) совершенно одинаковых фазных обмоток, которые располагаются в пазах сердечника ротора под углом 120 градусов друг к другу в пространстве. Выводы обмотки ротора соединяются «звездой». Оставшиеся выводы подсоединяются к трем медным кольцам, которые закреплены на валу ротора. Кольца изолируются друг от друга и от вала ротора. При помощи щеток, которые скользят по кольцам, обмотка ротора может быть соединена с внешней цепью, обычно с трехфазным реостатом. Щетки закрепляются в щеткодержателях на траверсе, которая крепится на подшипниковом щите.

Если к обмотке статора приложить переменное трехфазное напряжение, то по обмоткам будут протекать переменные трехфазные токи, которые возбуждают в фазных обмотках три магнитных потока. Эти магнитные потоки складываясь вместе образуют результирующее магнитное поле статора, которое по величине неизменно, а по направлению вращается с угловой скоростью n₀ или ω₀. Скорость вращения магнитного поля статора (n₀ или ω₀) зависит от числа пар магнитных полюсов Р и частоты f тока статора.

или

Магнитное поле статора, вращаясь, пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Поскольку, обмотка ротора замкнута накоротко, то под действием ЭДС по обмотке ротора будут протекать токи. Тогда на проводники с током обмотки ротора, находящиеся в магнитном поле статора, будут действовать электромагнитные силы. Совокупность этих сил образует вращающий момент, приложенный к ротору, под действием которого ротор придет во вращение.

Изменяя сопротивление цепи ротора можно изменять ток ротора и, соответственно, будут изменяться вращающий момент и частота вращения ротора. Так же, как и изменяя скорость магнитного поля статора, можно изменять и угловую скорость ротора.

Угловую скорость ротора обозначим через n или ω_. Угловая скорость асинхронных двигателей близка к скорости вращения поля статора, n<n₀ или ω<ω₀, но всегда несколько меньше ее. Разность скоростей магнитного поля статора и ротора (n₀-n) или (ω₀-ω) принято оценивать в относительных единицах по отношению к скорости вращения поля статора и называть скольжением S.

, или .

Поскольку скорость ротора не совпадает со скоростью вращения поля статора, то двигатель называют асинхронным. Если же скорость вращения ротора станет равной скорости вращения поля статора ω=ω₀, то магнитное поле статора не будет пересекать проводники обмотки ротора, следовательно, в них не будет ЭДС и тока, а, значит, исчезнет вращающий момент, приложенный к ротору. Поскольку в двигателе всегда присутствует тормозной момент (хотя бы за счет сил трения), то ротор двигателя будет всегда вращаться со скоростью несколько меньшей, чем поле статора. Если же под действием сторонних сил (момента) ротор заставить вращаться со скоростью ω₀, то такой режим работы называется режимом идеального холостого хода двигателя.

Для вывода уравнения механической характеристики асинхронного двигателя обычно пользуются упрощенной Г-образной схемой замещения, представленной на рис.21.2. Схема соответствует одной фазе трёхфазного асинхронного двигателя. Полная схема замещения асинхронного двигателя будет содержать три таких Г-образных схем соединённых между собой по схеме «звезда».

Из анализа этой схемы можно записать выражение (по закону Ома) для определения действующего значения вторичного тока (приведенного тока ротора).

Рис.21.2. Г-образная схема замещения

Электромагнитная мощность ротора (передаваемая от статора через магнитное поле ротору) численно равна энергии, которая выделяется в переменном резисторе  схемы замещения. Поскольку двигатель трехфазный, то её необходимо утроить, тогда электромагнитную мощность ротора можно записать следующим образом:

.

Для того, чтобы найти выражение для электромагнитного момента, необходимо электромагнитную мощность поделить на угловую скорость вращающегося магнитного поля ω₀, поскольку электромагнитный момент образуется при взаимодействии тока ротора и магнитного поля статора, вращающегося со скоростью ω₀.

.

Подставляя сюда выражение для тока I₂, окончательно получим

.

В этом выражении переменной величиной является скольжение. Зависимость М=f(S) имеет два максимума. В этом легко убедится, если по общему правилу исследования функций взять производную  и приравнять ее к нулю. При этом получим квадратное уравнение, решив его относительно скольжения, получим значение скольжения S_k соответствующее максимальному (критическому) моменту.

Значение скольжения соответствующего максимуму функции М=f(S) называют критическим. Подставляя полученное выражение S_К в выражение для момента найдем выражение для максимального момента, его еще называют критическим моментом.

.

Знак (+) в этих выражениях соответствует двигательному режиму работы асинхронной машины, а знак (-) — генераторному режиму.

Из полученных выражений следует:

1. значение критического скольжения одинаково как для двигательного режима, так и генераторного;

2. значения максимального момента отличаются друг от друга, в генераторном режиме значение максимального момента несколько больше, нежели в двигательном.

Следует подчеркнуть весьма важное для практики обстоятельство, что момент двигателя пропорционален квадрату напряжения сети, следовательно, двигатель очень чувствителен к колебаниям напряжения. При снижении напряжения момент двигателя резко падает.

На рис.21.3 представлена механическая характеристика, на которой указаны области и точки соответствующие характерным режимам работы асинхронной машины.

На механической характеристике можно выделить три участка, каждый из которых соответствует одному из трех режимов работы асинхронной машины:

1. двигательный режим работы, ему соответствует изменение скольжения от S=0 до S=1;

2. режим торможения противовключением, ему соответствует изменение скольжения от S=1 до S>1;

3. режим рекуперативного торможения или генераторный режим с возвратом энергии в сеть, ему соответствуют отрицательные значения скольжения S<0.

Отметим характерные точки механической характеристики, к ним относятся:

1. S=0, M=0, при этом скорость ротора равна синхронной ω=ω₀, так называемый режим идеального холостого хода двигателя;

2. S=S_н, М=М_н — номинальный режим двигателя;

3. S=S_к, М=М_к — критический режим, при котором двигатель развивает максимальный момент;

4. S=1,0, М=М_п — пуск двигателя, при котором при неподвижном роторе ω=0, двигатель развивает пусковой момент М_п;

5. S= - S_к, М= - М_к — при котором двигатель развивает максимальный момент в генераторном режиме, когда он работает параллельно с сетью.

Рис.21.3. Механическая характеристика асинхронной машины

Эта же механическая характеристика может быть построена в других координатах М=f(ω), она приведена ниже (рис. 21.4).

Рис.21.4. Механическая характеристика в координатах М=f(ω)

Рассмотрим естественную механическую характеристику асинхронного электродвигателя, представленную на рис.21.5.

Рис.21.5. Естественная механическая характеристика

Участок характеристики между ω=ω₀ и ω=ω_кр, то есть 0<S<S_кр называют устойчивым участком, так как на этом участке увеличению тормозного момента соответствует снижение скорости и увеличение вращающегося момента и наоборот. Участок механической характеристики между ω=ω₀ и ω=ω_кр называют неустойчивым, так как на этом участке уменьшению угловой скорости ротора соответствует уменьшение вращающего момента двигателя.