Принцип работы асинхронных электродвигателей

Асинхронный привод электровоза 2ЭС10

Содержание

1. Назначение асинхронных электродвигателей………………………………3

2. Принцип работы асинхронных электродвигателей………………………..9

3. Конструкция асинхронных электродвигателей……………………………. 12

4. Конструкция асинхронного электродвигателя 1ТВ2822………………….. 14

5. Возможные режимы работы асинхронных двигателей…………………… 16

6. Принципы управления и работа современных инверторов на

основе IGBT транзисторов………………………………………………….. 19

7. Преимущества и недостатки асинхронного тягового привода…………… 21

 

 

 

Назначение асинхронных электродвигателей

Для преобразования электрической энергии в механическую энергию начиная с 19 века широко используются электродвигатели. Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины — ротор — всегда вращается со скоростью, не равной скорости магнитного потока, т.е. не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10000 В, этот электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими типами. В качестве тяговых электроприводов асинхронные машины на локомотивах ранее не применялись по причине невозможности передачи от контактной сети на локомотив трехфазного тока. С появлением современных технологий возможности преобразования электроэнергии расширились, что позволило преобразовывать постоянный ток в переменный трехфазный ток, а так же в возможности регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей в широких диапазонах при помощи частотных преобразователей.

 

Принцип работы асинхронных электродвигателей

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

 

,

где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,

f₁ – частота переменного тока, Гц,

Вращающее магнитное поле асинхронного электродвигателя

p – число пар полюсов

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое
трехфазным переменным током в конкретный момент времени.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Амперабудет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Короткозамкнутый ротор "беличья клетка" (показан без вала и сердечника

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор и магнитный момент действующий на ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂<n₁. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения n_s=n₁-n₂. Отставание ротора

от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

· где s – скольжение асинхронного электродвигателя;

· n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин;

· n₂ – частота вращения ротора, об/мин.

Рассмотрим случай, когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом, в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом, ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом, будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью, которая немного меньше синхронной скорости.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействия.

Частота ЭДС и токов в проводниках ротора f2 в общем случае отличаются от частоты питающего тока f1. Эту частоту можно определить так

f2=(р∙ns)/60=(р∙n1∙S)/60=f1∙S.

Взаимодействие тока в проводнике ротора с вращающимся магнитным потоком статора приводит к появлению электромагнитной силы Fэм i, направление которой определяется по правилу левой руки. Суммарное усилие, приложенное ко всем проводникам ротора

Fрез=ΣFэм i

образует электромагнитный момент машины Мэм, увлекающий за собой ротор. Этот момент можно определить из выражения

Мэм=Cм∙Ф∙I₂∙cosΨ₂,

где Ф – рабочий поток машины, I₂∙cosΨ₂ – активная составляющая тока в фазе ротора, Ψ₂ – фазовый сдвиг между напряжением и током в фазе ротора, Cм=р∙m₂∙Коб₂ – конструктивная постоянная машины, зависящая от числа пар полюсов "р", числа фаз обмоток ротора m₂ (для короткозамкнутого ротора m₂равно числу стержней обмотки), и обмоточного коэффициента Коб₂, который для обмотки типа "беличья клетка" равен 1.

В установившемся режиме электромагнитной момент равен тормозному моменту нагрузке М на валу машины.

Таким образом, принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного потока статора с токами, которые индуктируются этим потоком в проводниках обмотки ротора. Очевидно, что для создания вращающего момента ротор и поле должны вращаться с разными скоростями, т.е. не синхронно (асинхронно), что и получило отражение в названии машины.