Электроника и электротехника Работа электрических машин и аппаратов Асинхронный двигатель Элементы зонной теории твердого тела Проводниковые материалы Полупроводниковые материалы

Асинхронный двигатель.

Асинхронный двигатель предложен в 1889 г. Русским электротехником М.О.Доливо-Добровольским. Предложенная конструкция была настолько проста, что в основном сохранилась до настоящего времени. Из большого количества двигателей, эксплуатирующихся в промышленности и сельском хозяйстве, 90-95% приходится на асинхронные двигатели.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя.

Двигатель состоит из двух частей: неподвижный статор 1, и вращающийся ротор 3. Внутренняя часть статора собрана из листовой стали, для уменьшения вихревых токов. В пазах статора размещена трехфазная обмотка. На рис. 4.1 в каждой фазе показано по одному витку. Плоскости каждой фазы смещены друг от друга на 120о. В такой обмотке, подключенной к трехфазной сети, создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 можно определить:

 (4.1)

где f – частота сети; р – число пар полюсов.

Зонная структура полупроводнков Лабораторные работы по электронике

При промышленной частоте f=50 Гц частота вращения магнитного поля может принимать следующие значения:

р

1

2

3

4

5

3000

1500

1000

750

600

и т. д.

Ротор представляет собой цилиндр, набранный из листовой стали, в пазах которого располагается обмотка, которая выполняется чаще всего из алюминиевых стержней, соединенных между собой накоротко. Такая обмотка называется «беличье колесо», а ротор короткозамкнутым. Если обмотка выполнена также как и обмотка статора из изолированной проволоки, то они соединяются звездой, а ее свободные концы выводятся на контактные кольца, размещенные на валу ротора. На контактные кольца накладываются щетки, которые позволяют соединить вращающийся ротор с внешней цепью. Такая обмотка называется фазной и ротор также называется фазным.

Вращающееся поле индуцирует в обмотке статора и ротора ЭДС е1 и е2. Т. к. обмотка ротора замкнута, то в ней под действием ЭДС е2 возникает ток, при взаимодействии которого с магнитным полем, создается электромагнитный вращающий момент, который заставляет ротор вращаться с частотой n2, причем n2 < n1. Ясно, что величина ЭДС е2 зависит от скорости n1 - n2, с которой поле пересекает витки вращающегося ротора. Чем больше n1 - n2, тем больше ЭДС е2. Если n1 = n2, то Е2 = 0 и ротор вращаться не будет.

Величина:

 (4.2)

называется скольжением и заносится в паспорт двигателя. У работающего двигателя скольжение должно быть таким, чтобы вращающий момент двигателя Mвр уравновешивал тормозящий момент Mтор нагрузки, т. е. должно выполняться равенство:

Mвр = Mтор (4.3)

Если это равенство не выполняется – двигатель остановится.

При пуске двигателя, в момент когда ротор еще неподвижен, асинхронный двигатель подобен трансформатору и его электрическое состояние можно описать уравнениями для трансформатора:

 (4.4)

 (4.5)

 (4.6)

В отличие от уравнений трансформаторной ЭДС выражения 4.5 и 4.6 содержат сомножители  и   - обмоточные коэффициенты, учитывающие сдвиг по фазе между ЭДС в каждом витке обмоток статора и ротора. Величина этих коэффициентов 0,96-0,98. При пуске двигателя магнитное поле статора пересекает витки ротора с частотой n1, поэтому частота тока в неподвижном роторе будет такой же, как и в статоре, т. е.

f1 = f2 и  

У работающего двигателя магнитный поток пересекает витки ротора с частотой n = n1 – n2. Поэтому частота тока во вращающемся роторе будет:

, (4.7)

 т. е. она будет много меньше частоты сети. Аналогичные выражения могут быть получены для ЭДС ротора и его индуктивного сопротивления:

,

Учитывая 4.7, получим:

 (4.8)

При пуске ЭДС ротора будет больше, чем при работе: , поэтому при пуске ток двигателя превышает номинальный примерно в 7 раз.

Сопротивление ротора при работе двигателя также будет уменьшаться, за счет уменьшения его индуктивной составляющей:

X2s = X2 ·s

Ток в роторе можно определить по закону Ома:

 (4.9)

4.2. Электрический баланс асинхронного двигателя.

К фазе статора двигателя из сети подводится мощность:

Часть этой мощности расходуется на нагрев обмоток статора и перемагничивание сердечника статора, а большая часть вращающимся полем передается в ротор, образуя электромагнитную мощность:

 (4.10)

где  – электромагнитная мощность;

   – электрические потери на нагрев обмоток статора;

 - потери на перемагничивание сердечника статора.

Часть электромагнитной мощности тратится на нагрев обмоток ротора, а большая ее часть переходит в механическую мощность:

 (4.11)

где  - механическая мощность;

 – электрические потери на нагрев обмоток ротора.

Магнитные потери в роторе не существенны, т. к. они пропорциональны квадрату частоты тока, а она в роторе очень мала. Механическая мощность, за вычетом механических потерь в подшипниках и вентиляторе, смонтированных на валу ротора, отдается нагрузке:

 (4.12)

где  – мощность на вале двигателя;

 – механические потери.

В паспорте двигателя в качестве номинальной мощности указывается мощность на валу , а не потребляемая мощность . Отношение мощности на валу к потребляемой мощности называется коэффициентом полезного действия двигателя:

 (4.13)

КПД двигателя заносится в паспорт.

Из механики известно, что:

 (4.14)

где  – угловая частота вращения ротора.

Подставляя 4.14 и 4.15 в 4.11, получим:

 (4.16)

Решая 4.16 относительно Мвр, получим:

, (4.16)

Т. к. , а , то , тогда

 (4.17)

Механическая характеристика асинхронного двигателя

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя. Реверсирование асинхронного двигателя Все возможности регулирования вытекают из уравнения: Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения может применяться, если имеется специальное оборудование для ее изменения. Изменение числа пар полюсов возможно, только для двигателей специального исполнения, а регулирование будет ступенчатым.


Электричество и электромагнетизм