2015-05-05
16060
В зависимости от назначения АД выполняются с трехфазной или двухфазной обмоткой статора. В технике наиболее распространены трехфазные АД.
Асинхронный трехфазный электродвигатель состоит из неподвижного статора (рис. 1) и вращающегося ротора (рис. 2, 3). Статор двигателя представляет собой полый цилиндр, собранный из отдельных тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью уменьшения потерь мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. В пазах сердечника статора уложена трехфазная обмотка статора, выполненная из изолированного провода и состоящая из трех отдельных обмоток фаз, оси которых сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. Обмотки фаз соединяются между собой звездой или треугольником, в зависимости от значения подводимого напряжения.
Ротор АД изготовляют в двух исполнениях: короткозамкнутым (рис. 3) и с контактными кольцами (рис. 2).
Короткозамкнутый ротор представляет собой ферромагнитный сердечник в виде цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней. Эти стержни соединяются между собой торцовыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку. В большинстве случаев клетка ротора отливается из алюминия или из сплава на его основе. Для уменьшения потерь мощности в магнитопроводе ротор, так же как и статор, собирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
|
|
|
Рис. 1.Неподвижный статор Рис. 2. Вращающийся ротор
Рис. 3. Короткозамкнутый ротор АД Рис. 4. Электрическая схема регулирования пускового момента АД
В некоторых конструкциях ротор имеет на одном валу с ним контактные кольца, называемый иногда также фазным, имеет трехфазную обмотку, выполненную изолированным проводом, которая в конструктивном отношении мало чем отличается от обмотки статора двигателя. В большинстве случаев обмотка ротора соединяется в звезду. Свободные концы обмотки подводятся к контактным кольцам ротора. В процессе работы контактные кольца скользят по неподвижным щеткам и при этом обеспечивают электрическое соединение обмотки вращающегося ротора с трехфазным неподвижным реостатом, подключенным к щеткам (рис. 4).
Такое устройство позволяет изменять активное сопротивление электрической цепи ротора АД в процессе его вращения, что необходимо для уменьшения значительного пускового тока, а также для регулирования частоты вращения ротора АД при работе и изменения пускового момента двигателя.
При подаче к трехфазной обмотке статора АД трехфазного напряжения в каждой его фазе будет создаваться магнитный поток, изменяющийся во времени с частотой питающей сети. При этом магнитные потоки отдельных фаз оказываются сдвинутыми относительно друг друга на угол 120° как во времени, так и в пространстве.
|
|
|
Возникаемый при этом результирующий магнитный поток оказывается вращающимся. В теоретической части курса электротехники показано, что значение результирующего магнитного потока постоянно во времени, при этом поток вращается в пространстве с угловой скоростью вращения, пропорциональной частоте подводимого напряжения.
Для изменения направления вращения ротора АД необходимо изменить направление вращения магнитного поля, т. е. изменить порядок чередования фаз обмотки статора переключением любых двух из трех проводов, питающих двигатель от трехфазной системы подводного напряжения.
Результирующий магнитный поток при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как обмотка ротора АД имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком статора, создает электромагнитный момент двигателя. Под действием этого момента ротор вращается в сторону вращающегося магнитного потока двигателя, причем частота вращения ротора двигателя всегда меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля. Если ротор вращается с частотой поля, то его обмотка не пересекается этим полем и в ней не наводится ЭДС. Следовательно, при отсутствии тока в роторе электромагнитный момент двигателя равен нулю. При этом двигатель замедляет свой ход до тех пор, пока в роторе не появится ток, необходимый для обеспечения соответствующего момента, и двигатель продолжает вращаться при этой частоте вращения n 2.
Частота вращения магнитного поля (синхронная частота вращения) находится в строгой зависимости от частоты f 1 подводимого напряжения и числа пар полюсов р двигателя; п1 = 60 f 1/ р.
Из этого следует, что при принятой в стране промышленной частоте питающего напряжения (f i = 50 Гц) наибольшее число оборотов магнитного поля оказывается равным 3000 об/мин при p = 1. При увеличении числа пар полюсов частота вращения магнитного поля уменьшается, а следовательно, снижается и частота вращения ротора n2 двигателя. При p = 2, n1 = 1500 об/мин и т. д.
АД характеризуется номинальными данными, на которые он рассчитан. Основные технические данные двигателя указываются в соответствующих каталогах, справочниках, а также в паспортах, выполненных в виде специальных табличек, закрепленных на корпусах двигателей.
Асинхронные трехфазные электродвигатели имеют шесть выводов обмотки статора (три у начала и три у конца обмоток фаз). Начала обмоток каждой из трех фаз маркируются С1, С2, С3, а концы соответственно С4, С5, С6.
Подобная конструкция обмотки статора дает возможность соединять обмотки фаз двигателя как по схеме треугольника, так и по схеме звезда. Благодаря этому каждый трехфазный электродвигатель можно использовать при двух различных по значению напряжениях питающей сети (линейном и фазном), 
.
Одним из важнейших показателей, характеризующих работу АД, является скольжение ротора, под которым понимается отношение:
s = (n1-n2)/ n1,
где n 2 – частота вращения ротора электродвигателя, об/мин; п1 = 60 f 1/ р – синхронная частота вращения электромагнитного поля.
Для большинства современных типов АД скольжение ротора при номинальной нагрузке составляет 2...6 %, а при работе в режиме холостого хода, т. е. когда электродвигатель работает без нагрузки на валу, – доли процента.
При вращении ротора с частотой вращения поля его скольжение оказывается равным нулю (s = 0). При частоте вращения ротора равной нулю, т. е. при неподвижном роторе, скольжение ротора равно единице (s = 1).
|
|
|
Разность частот вращения n1-n2= sn1 представляет собой частоту скольжения, т. е. частоту вращения поля статора двигателя относительно его ротора. Нетрудно видеть, что от частоты скольжения, а также от значения магнитного потока Ф, характеризующего вращающееся магнитное поле, зависит и значение ЭДС Е2, наводимой в обмотке ротора, а следовательно, ток ротора I2 и его частота:
(1)
При увеличении нагрузки на валу электродвигателя, обусловленной возрастанием момента сопротивления, частота вращения ротора уменьшается, а скольжение его возрастает. Это вызывает увеличение ЭДС ротора Е2S, а следовательно, токов ротора и статора АД. При этом мощность P1, потребляемая из сети, также возрастает.
При неподвижном роторе вращающееся магнитное поле в обмотках статора и ротора АД будет наводить переменные ЭДС, действующие значения которых можно определить по формулам, аналогичным формулам, полученным для ЭДС трансформатора:
Е1 = 4,44 k 1 f 1 w 1Ф m, E 2 = 4,44 k 2 f 1 w 2Ф m,
где Е 1– фазное значение ЭДС, наводимой в обмотке статора; Е 2– фазное значение ЭДС, наводимой в обмотке ротора при неподвижном его состоянии (s = 1; n 2=0); w 1, w 2 – число витков в фазе статора и ротора; Ф m – амплитудное значение магнитного потока фазы АД; k 1, k 2– обмоточные коэффициенты статора и ротора АД.
В отличие от трансформатора, вследствие конструктивных особенностей АД, вращающийся магнитный поток не будет одновременно сцеплен со всеми витками обмоток статора и ротора, что учитывается обмоточными коэффициентами k 1 и k 2, меньшими единицы (у трансформатора k 1 ≈ k 2 ≈ 1).
При вращении ротора АД в процессе работы в нем наводится переменная ЭДС E 2S с частотой скольжения f 2S,значение которой можно найти путем замены в выражении для Е 2частоты f 2 = sf 1на f 2S:
E 2S = 4,44 k 2 w 2 f 2SФ m = sE 2. (2)
Отсюда следует, что ЭДС вращающегося ротора находят по ЭДС неподвижного ротора, умножая ее значение на скольжение, соответствующее данной частоте вращения ротора электродвигателя.
При работе АД под действием ЭДС Е 2S, возникающей во вращающемся роторе, в цепи обмотки ротора возникает ток I 2s, который в соответствии с законом Ома для данной цепи можно найти, исходя из выражения:
|
|
|
,
где Z 2 S – полное сопротивление фазы ротора; R 2– активное сопротивление фазы ротора; Х 2S– индуктивное сопротивление фазы ротора на частоте f 2S.
С учетом того, что Е 2S = sE 2 и X 2S= 2πf2SL2 = sX 2, L2 – индуктивность рассеяния обмотки ротора, получаем выражение для тока ротора при вращениив другом виде:
. (3)
Из формулы видно, что ток ротора при вращении можно определить через ЭДС Е 2неподвижного ротора. Сопротивление Х 2,входящее в выражение для тока ротора, соответствует частоте f i и является постоянным, а активное сопротивление электрической цепи ротора при этом зависит от скольжения и находят его как отношение 
Действительно: 
.
Сучетом выражения для тока (3) схема замещения вращающегося ротора АД может быть приведена к схеме замещения неподвижного ротора, представленной на рис. 5.
Рис.5. Схема замещения неподвижного ротора
Рис. 6. Полная электрическая схема замещения АД
При построении схемы замещения АД, параметры схемы замещения ротора, подобно тому, как это было сделано для вторичной обмотки трансформатора, приводят к числу витков и ЭДС обмотки статора электродвигателя. В результате полная схема замещения АД имеет вид, показанный на рис. 6, приведенные параметры схемы замещения ротора определяются следующим образом:
Рис. 7. Электрическая диаграмма АД при работе двигательном режиме
Представление о распределении потока энергии, потребляемой АД из сети, дает энергетическая диаграмма рис. 7, на которой дана полная структура потерь мощности, возникающих при работе в асинхронном электродвигателе:
– активная мощность, подводимая к электродвигателю из сети; U 1– фазное напряжение статора;
– электрические потери мощности в активном сопротивлении обмотки (потери в меди) статора; где m 1 – число фаз обмотки статора; I 1– ток фазы статора;
– потери мощности в магнитопроводе статора, равные сумме потерь мощностей на гистерезис и вихревые токи (потери в стали статора);
– электромагнитная мощность, передаваемая ротору вращающимся магнитным полем;
– потери мощности в магнитопроводе ротора, равные сумме потерь мощностей на гистерезис и вихревые токи в роторе (потери в стали ротора);
– электрические потери мощности на активном сопротивлении обмотки ротора;
Р м – суммарная механическая мощность, развиваемая АД;
Рмех – механические потери мощности в двигателе (потери мощности, возникаемые от трения в подшипниках и трения ротора о воздух);
Р 2 = Р м = Рмех – полезная механическая мощность на валу двигателя, кВт.
Электромагнитный момент, развиваемый АД, можно получить, исходя из его электромагнитной мощности:
, (4)
откуда электромагнитный момент
, (5)
где постоянная 
.
Из формулы видно, что электромагнитный момент АД пропорционален произведению вращающегося магнитного потока Фm на ток ротора и косинус угла сдвига по фазе между током ротора I 2и его ЭДС Е 2.
Электромагнитную мощность, передаваемую в ротор, можно определить следующим образом (исходя из эквивалентной схемы замещения рис. 6)
. (6)
Часть этой мощности представляет собой потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике ротора, часть – электрические потери в обмотке ротора. (Оставшаяся часть поглощается в сопротивлении 
эквивалентной схемы замещения рис. 6). Потери на гистерезис и вихревые токи в роторе малы из-за низкой частоты скольжения магнитного поля статора относительно ротора. Поэтому их можно не учитывать. Тогда суммарную механическую мощность, развиваемую двигателем, можно определить следующим образом:
. (7)
Мощность Р м является результатом преобразования электрической энергии в механическую.
Если учесть, что 
, тогда используя (7), а также учитывая, что 
, получим
. (8)
Величину пускового момента получаем из (8) после подстановки в него s = 1 (ротор при пуске не вращается, т. е. s = 1):
. (9)
Приведенный ток ротора 
можно выразить через параметры схемы замещения АД (см. рис. 6). Если пренебречь током I 0 в связи с тем, что он мал по сравнению с током 
, т. е. принять его равным нулю, то можно записать
, (10)
где 
.
С учетом выражения (10) получаем формулу для момента АД
. (11)
Из формулы видно, что момент АД пропорционален квадрату подводимого напряжения и зависит от скольжения S. Причем имеется такое скольжение ротора, при котором электродвигатель развивает наибольший (критический) момент Мк. Максимальное (критическое) скольжение S к ротора, соответствующее критическому моменту АД, можно найти, взяв производную момента по скольжению (пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора R 1вследствие его относительной малости) и приравняв ее нулю. Тогда получим
.
Подставив S к в (11) (с учетом того, что R 1 
0), получаем выражение для критического момента АД:
. (12)
Зависимость момента АД от скольжения ротора M(s), построенная согласно (12), имеет вид, представленный на рис. 8. Эта зависимость фактически является механической характеристикой АД.
Рис. 8. Механическая характеристика АД
Анализ показывает, что в интервале скольжений от 0 
S S к механическая характеристика будет устойчивой, так как dM/ds > 0, т. е. при возрастании момента нагрузки на валу происходит возрастание момента, развиваемого АД. В то же время в интервале скольжении от S = S кдо S = 1 механическая характеристика АД оказывается неустойчивой, так как dMIds < 0.
Если учесть, что между скольжением ротора и частотой вращения ротора АД существует прямая взаимосвязь, то, выразив скольжение через частоту вращения ротора, представляем зависимость частоты вращения АД от момента в виде кривой n 2 (М), также называемой механической характеристикой АД (рис. 9).
Рис. 9. Механическая характеристика АД
Графики зависимости момента М, мощности P 1, коэффициента мощности cosφ1, КПД η, скольжения ротора s и тока статора I 1 от полезной мощности, т. е. мощности на валу двигателя Р 2(рис.10), являются рабочими характеристиками АД.
Рис. 10. Рабочие характеристики АД
Характер зависимости коэффициента мощности АД от мощности на валу, определяется выражением 
.
Значение коэффициента мощности для АД средней мощности при номинальной нагрузке составляет 0,83...0,89. С уменьшением нагрузки на валу двигателя коэффициент мощности снижается и доходит до значений 0,2...0,3 при холостом ходе. В этом режиме полезная мощность на валу равна нулю, однако при этом двигатель потребляет определенное количество электрической энергии из сети, поэтому коэффициент мощности не равен нулю. С увеличением нагрузки сверх номинальной наблюдается некоторое снижение значения коэффициента мощности за счет увеличения падения напряжения на индуктивной составляющей сопротивления обмотки статора АД. Характер изменения коэффициента мощности от нагрузки АД имеет примерно такой же вид и изменяется по тем же причинам, что и у трансформатора.
Зависимость КПД АД от нагрузки η(Р 2)определяется соотношением:
η = Р 2 /P 1= Р 2 /(Р 2 + P Σ),
где Р 1– активная мощность, потребляемая двигателем из питающей сети; P Σ = Р м + Р э1 + Рэ 2+ P мех – суммарные потери мощности в двигателе, равные сумме потерь мощности в магнитопроводе, электрических потерь мощности в обмотках статора, электрических потерь мощности в обмотке ротора, механических потерь и др.
С увеличением мощности на валу, т. е. с увеличением нагрузки двигателя, вызываемой возрастанием момента сопротивления исполнительного механизма, частота вращения (число оборотов) ротора уменьшается, а его скольжение при этом возрастает, вызывая увеличение ЭДС E 2в обмотках ротора, а, следовательно, возрастание токов ротора и статора. При неизменном магнитном потоке двигателя это приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем. Таким образом, с увеличением нагрузки на валу равновесие между моментом, развиваемым двигателем, и моментом сопротивления наступает при снижении частоты вращения, т. е. при возрастании механической нагрузки на валу электродвигателя происходит снижение частоты вращения ротора.
При включении АД в питающую сеть обмотка статора, обтекаемая переменным током, создает вращающееся магнитное поле. В момент пуска частота вращения ротора электродвигателя равна нулю, поэтому в обмотке ротора наводится ЭДС большой величины. При этом токи ротора и статора в несколько раз превосходят номинальные их значения, так как они увеличиваются с увеличением скольжения ротора, т. е. с уменьшением его частоты вращения (рис. 11).
Пусковой ток АД с короткозамкнутым ротором I 1пуск в 5... 10 раз превышает номинальный I 1ном (M пуск = 1,1...1,8 М ном). Так как этот ток протекает по обмоткам электродвигателя кратковременно только в процессе пуска, он не опасен для двигателя в тепловом отношении, если пуски двигателя не очень часты. Поэтому пуск АД с короткозамкнутым ротором, как правило, проводится прямым включением в сеть на полное напряжение. Однако большой пусковой ток крупных электродвигателей опасен не только для самого двигателя, он может вызвать значительное снижение напряжения, особенно в маломощных питающих сетях, что отрицательно сказывается на работе других потребителей электроэнергии, подключенных к той же сети. В этих случаях возникает необходимость ограничивать пусковой ток АД при включении их в питающую сеть.
Рис. 11. Зависимость вращающего момента и тока статора АД от скольжения
Снижение напряжения на обмотках АД при пуске может быть достигнуто различными способами: а) пуском с использованием автотрансформатора или индукционного регулятора; б) пуском с переключением обмотки статора со звезды на треугольник; в) пуском с включением дополнительного сопротивления в обмотку статора двигателя. Однако при снижении напряжения при пуске пусковой момент АД резко снижается, так как он пропорционален квадрату питающего напряжения 
.Поэтому указанные способы пуска, как правило, применяются для приводных двигателей тех механизмов, для пуска которых не требуется большой пусковой момент (при пуске двигателя вхолостую или двигателя вентилятора и других механизмов).
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором пускают в ход с помощью пускового реостата, включенного последовательно с обмоткой ротора (см. рис. 4). В начальный момент пусковое активное сопротивление реостата вводится в цепь двигателя полностью. С увеличением оборотов частота вращения вращающегося магнитного поля по отношению к ротору уменьшается. Соответственно уменьшаются ЭДС и ток ротора. Поэтому с увеличением частоты вращения двигателя можно постепенно уменьшать значение пускового сопротивления в цепи обмотки ротора, не опасаясь того, что ток двигателя возрастет до значений, опасных для него. При полностью выведенном сопротивлении пускового реостата пуск двигателя заканчивается.
Такой способ позволяет обеспечить необходимый для пуска пусковой момент двигателя. Значение пускового момента зависит от значения активного сопротивления в цепи ротора и может быть доведено до критического момента Мк двигателя.
Существенный недостаток АД – относительно сложное регулирование частоты их вращения.
Возможные способы регулирования частоты вращения АД можно установить в результате анализа выражения, записанного относительно частоты вращения ротора двигателя: 
. Анализ этой формулы показывает, что частоту вращения АД можно изменить, изменяячисло пар полюсов р двигателя или частоту f 1 питающего напряжения.
Кроме того, регулирование частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором может быть достигнуто за счет изменения напряжения на зажимах двигателя. При уменьшении напряжения критический момент АД уменьшается, жесткость механической характеристики также уменьшается, а скольжение ротора двигателя при том же моменте нагрузки возрастает. Происходит уменьшение частоты вращения электродвигателя. Регулирование частоты вращения АД при этом способе возможно только в незначительном диапазоне скольжений, который ограничивается критическим моментом.
Регулирование частоты вращения асинхронных короткозамкнутых двигателей, как указывалось, возможно путем изменения числа пар полюсов, что применимо для многоскоростных двигателей. Сущность этого регулирования заключается в том, что скорость вращения магнитного поля АД зависит от числа пар полюсов обмотки статора. Таким образом, если на статоре АД разместить две или несколько отдельных обмоток с разными числами пар полюсов, то при включении в сеть каждой из обмоток в отдельности можно получить различные частоты вращения магнитного поля и вращения ротора.
Кроме электродвигателей, рассчитанных на одну частоту вращения, отечественная промышленность выпускает двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели с соответствующим числом пар полюсов.
Регулирование частоты вращения АД путем переключения числа пар полюсов производится без потерь мощности. Однако многоскоростные электродвигатели гораздо сложнее по конструкции и дороже обычных односкоростных. При этом регулирование частоты вращения оказывается ступенчатым, не плавным.
Регулирование частоты вращения АД может быть осуществлено и путем изменения частоты напряжения, подводимого к обмотке статора. При этом происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора электродвигателя (рис. 12).
Рис. 12. Механические характеристики АД при изменении частоты напряжения
на обмотках статора
Существенным недостатком частотного способа регулирования является необходимость применения специального оборудования, в частности преобразователей частоты, что усложняет систему электропривода и увеличивает стоимость установки. Однако с развитием полупроводниковой техники, появлением мощных частотных преобразователей (ЧП) оснащенных современными микропроцессорными системами, этот способ нашел широкое применение.
Принцип действия такого ЧП, использованного в данном лабораторном стенде, описан в [5].
Целью данной лабораторной работы является исследование механических характеристик АД с частотным регулированием оборотов.
