АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

находят в качестве двигателей. Асинхронные двигатели (АД) преобразуют электрическую энергию

в механическую и являются потребителями электрической энергии.
Первый асинхронный двигатель был сконструирован в 1889 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским.
Наибольшее распространение в промышленности получили трехфазные асинхронные двигатели c короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Это объясняется тем, что они просты по конструкции, дешевы, надежны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых приспособлений.

являются:
- низкий коэффициент мощности (соsφ) при неполной нагрузке (при

холостом ходе соsφ = 0,2…0,3);
- большой пусковой ток;
- низкий КПД при малых нагрузках;
- относительная сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных характеристик, и в первую очередь механических характеристик.

и ротор, отделенные друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм).

Их сердечники набраны из листов электротехнической стали. На внутренней части поверхности статора и на внешней ротора выштампованы пазы, в которые уложены обмотки. Сердечник статора помещен в корпус, который является внешней частью двигателя. Сердечник ротора укреплён непосредственно на валу двигателя или на ступице, надетой на вал.
Обмотка статора обычно выполняется трёхфазной, состоящей из трёх самостоятельных обмоток, сдвинутых в пространстве одна относительно другой на 120°.

обмотки статора присоединены к клеммам, которые расположены на щитке, укреплённом

на корпусе двигателя, и обозначены соответственно:
С1 - С4 (фаза А);
С2 - С5 (фаза В);
С3 - С6 (фаза С).
Это даёт возможность в зависимости от величины напряжения сети (например, 380 В или 220 В) соединять обмотку статора звездой или треугольником для того, чтобы в обоих случаях фазное напряжение обмотки было номинальным.

в обмотках статора протекают токи ia, ib и ic (рис.

а). МДС каждой обмотки создаёт магнитный поток, вектор которого совпадает с осью соответствующей катушки. Если ток ia = Im, то ток ib = ic = -Im/2 (при t = t1, рис. а). При этом вектор результирующего магнитного потока Фmp = Фma + Фmb + Фmc совпадает с осью катушки С1 - С4 (фаза А), т. к. в ней ток максимальный (рис. б). В моменты времени t = t2 и t = t3 (рис. а) результирующий вектор будет совпадать с осями катушек соответственно С2 - С5 (фаза В) и С3 - С6 (фаза С) (рис. в). Очевидно, что за один период Т изменения напряжения сети вектор результирующего магнитного поля сделает один оборот.

углом 120° друг к другу, при подключении их к трёхфазной

сети синусоидального тока, создают вращающееся магнитное поле, аналогичное по форме магнитному полю вращающегося двухполюсного магнита (с одной парой р полюсов) с подобным распределением магнитной индукции на полюсах.
В общем случае частота вращения вращающегося магнитного поля (называемая синхронной частотой вращения) зависит от частоты напряжения сети ƒ1 и числа пар р полюсов, определяемого числом обмоток статора, т. е.
n1 = 60·ƒ1/p.
Так как число пар полюсов р определяется целым числом натурального ряда (р = 1, 2, 3, 4 и т. д.), то при ƒ1 = 50 Гц возможны следующие значения синхронной частоты вращения: 3000; 1500; 1000; 750 об/мин…,
т.е. для двухполюсной машины (при трёх статорных катушках) n1 = 60·ƒ1 = 3000 об/мин;
для четырёхполюсной машины (при шести статорных катушках) n1 = 60·ƒ1/p = 1500 об/мин и т. д.

или фазной. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки,

состоящей из алюминиевых или медных (латунных) стержней и замыкающих их на торцах колец (рис. а, б). У асинхронных двигателей с фазным ротором (рис. в, г) одни концы обмоток 2 ротора соединяются с контактными кольцами 3, расположенными на валу двигателя, а другие - соединены в звезду. Контактные латунные кольца соединяются с клеммами пускового реостата 5 с помощью угольных или медно-графитовых щёток 4 и щеткодержателей.

n2 от частоты вращения магнитного поля n1 статора оценивается скольжением

S:


Диапазон изменения скольжения в АД 1 ≥ S ≥ 0. При пуске n2 = 0, S = 1; при холостом ходе S = 0,001...0,005; при номинальной нагрузке S = 0,03...0,07.

Частота вращения ротора выражается через скольжение, т. е.



Отсюда следует, что регулировать частоту вращения ротора можно изменением частоты ƒ1, числа пар полюсов p и скольжения S.

- обмоточный коэффициент катушки статора.

Фазные ЭДС вращающегося ротора


где k02 ≈

0.93...0.97 - обмоточный коэффициент роторной обмотки.

Относительная частота (частота пересечения вращающегося магнитного поля статора вращающегося ротора) n1 - n2 = n1·S, где n1 = 60·ƒ1/p и ƒ1 = n1·p/60 - частота ЭДС статорной обмотки.
Диапазон изменения частоты ƒ2 в АД - (0...1)ƒ1; номинальная частота ЭДС и тока роторной обмотки      ƒ2н ≈ (0,01...0,07)ƒ1 = 0,5...3,5 Гц.
Таким образом, частота ЭДС в обмотке ротора прямо пропорциональна скольжению и равна частоте ЭДС статора только при неподвижном роторе.

АД часто пользуются схемой замещения двигателя, аналогичной схеме замещения трансформатора.

При её построении необходимо учесть ряд особенностей, прежде всего то обстоятельство, что частота ЭДС и тока ротора не равна частоте ЭДС и тока статора.
На рис. изображена схема замещения одной фазы АД, на которой элементы R0 и X0 - соответственно активное и реактивное сопротивления ветви намагничивания. Схема замещения позволяет проанализировать работу АД в различных режимах по известным его параметрам. Для этой цели составляют систему уравнений по первому и второму законам Кирхгофа, решив которую, можно аналитически определить неизвестные величины.

уравнение токов, причём ток I0 холостого хода в АД составляет

(20…40)% от номинального тока статора;
 U1ф = -E1 + R1I1 + jX1I1
- уравнение электрического состояния для фазы статора;
E′2 = R′2I′2/S + jX′2I′2; или E2 = R2I2/S + jX2I2
- уравнение электрического состояния для фазы ротора.

на потери в стали ΔPcm1 статора (от вихревых токов и

явления гистерезиса) и на тепловые потери в меди ΔPм1(в обмотках статора), оставшаяся часть мощности передаётся ротору электромагнитным путём.
В свою очередь, электромагнитная мощность Pэм частично расходуется на потери в меди ротора (потери в стали ΔPcm2 ротора незначительны вследствие низкой частоты тока I2), оставшаяся часть мощности преобразуется в механическую мощность Pмех двигателя.
Полезную мощность на валу двигателя P2 получим, если из механической мощности вычтем механические потери ΔPмех (потери в подшипниках, вентиляционные) и добавочные потери ΔPпул (пульсационные).

Для анализа потерь энергии (активной мощности) в АД при преобразовании отбираемой из сети электрической энергии в полезную механическую на валу, строят энергетическую диаграмму.

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 [об/мин] 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; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

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, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторов малой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств (например, двигатель лифта или эскалатора метрополитена, идущего вниз, работает в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть).

возникает при отсутствии на валу нагрузки в виде редуктора и

рабочего органа. Из опыта холостого хода могут быть определены значения намагничивающего тока и мощности потерь в магнитопроводе, в подшипниках, в вентиляторе. В режиме реального холостого хода s=0,01-0,08. В режиме идеального холостого хода n2=n1, следовательно s=0.
Режим электромагнитного тормоза (противовключение)
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.

в сеть (генераторный режим),
б — двигательный режим,
в — режим противовключения (режим электромагнитного

тормоза)

изменение частоты вращения ротора и/или его момента. Существуют следующие способы

управления асинхронным двигателем:
реостатный — изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент;
частотный — изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;
переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;
импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);
введение добавочной э.д.с с согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь.
изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для к.з. роторов);
изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);
фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления;
амплитудно-фазовый способ включает в себя два описанных способа;
включение в цепь питания статора реакторов;
индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором.