Асинхронные машины. Лекция 13

1. БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова кафедра электротехники, О8

Лекция 13
Асинхронные машины
1

2.

Асинхронные машины
Асинхронные машины являются машинами переменного тока,
у которой магнитное поле статора и ротор вращаются с разными скоростями.
Асинхронные машины в основном используются в качестве двигателей.
АД являются самыми распространёнными.
Асинхронные двигатели подключаются к трёхфазной и однофазной сетям.
Однофазные двигатели имеют небольшую мощность (до 1,5 кВт)
и применяются в средствах автоматики.
Трехфазные двигатели во всех отраслях, где необходимо вращение.
Асинхронные машины сверхмалой мощности используются
в качестве тахометров (тахогенераторов).
Обозначение асинхронных машин в электрических схемах
АД с короткозамкнутым
ротором
АД с фазным
ротором

3.

Устройство асинхронного двигателя
Асинхронные двигатели состоят из статора и ротора.
Сердечник статора представляет собой полый цилиндр,
собранный из листов электротехнической стали и имеет пазы.
В пазы уложены обмотки возбуждения.
Устройство статора асинхронной машины

4.

Устройство асинхронного двигателя
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
(типа «беличьей клетки»)
1 – магнитопровод, из листов электротехнической стали;
2 – проводники алюминиевые, залитые в пазы магнитпровода.

5.

Фазный ротор асинхронного двигателя
1.
2.
3.
Схема асинхронного двигателя с фазным ротором
магнитопровод;
фазные обмотки;
контактные кольца

6.

Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

7.

Принцип действия асинхронного двигателя
Переменный ток в фазных обмотках создает вращающее магнитное поле с
угловой скоростью 1. (или n1).
Вращающее магнитное поле пересекает витки ротора (якоря) и индуцирует в них ЭДС.
Так как концы проводников замкнуты накоротко, то в них возникает ток.
Возникший ток взаимодействует с вращающимся магнитным потоком, появляется пара
сил Ампера, действующих на проводники, приводят во вращение ротор.

8.

поля n1.
Скорость вращения ротора n2 отстает от скорости вращения магнитного
Если скорости совпали бы (n1 = n2) тогда исчезла бы ЭДС в обмотках
ротора и ротор стал бы тормозится. Следовательно, снова в обмотке ротора
возникла бы ЭДС. Таким образом, ротор всё время пытается догнать магнитный
поток статора.
Разница скоростей n1 и n2 описываются – скольжением.
ns n1 n2
s
n1
n1
Частота вращения ротора зависит от скольжения s, от частоты питающей
сети f и от числа магнитных полюсов p:
n2 n1 (1 s )
60 f
(1 s )
p
В режиме двигателя скольжение 0 < s < 1.
При номинальном режиме работы s=0,03 0,08.
Чем больше тормозной момент, тем больше скольжение.

9.

Величины ЭДС, индуцированных в обмотках статора и ротора
При пересечении переменного магнитного потока в обмотках статора и
ротора возникают ЭДС:
E1 4,44 fw1k обм.1Ф m
E2 4,44 f 2 w2 k обм.2 Ф m
kобм.1 , kобм.2 – обмоточные коэффициенты машины
Магнитное поле относительно ротора вращается со скоростью : ns = n1-n2=n1s. Частота
ЭДС и тока в обмотке ротора определяется:
f2
pns psn1
s f
60
60
Пример:
Если s=0,04 и f=50Гц, то f2 = s f= 0,04*50=2 Гц

10.

Энергетическая диаграмма и КПД
Потребляемая от сети мощность определяется формулой:
P1 m1U1 I1 cos 1
m1- число фаз статора;
U1- фазное напряжение;
I1- фазный ток;
Электрические потери в обмотках статора:
P1ЭЛ m1 I12 R1
Магнитные потери в стали статора:
P1ст m1 I 02 R с m1 E12
Электромагнитная мощность
передаваемая от статора в ротор:
PЭМ P1 P1ЭЛ P1ст
Электрические потери в обмотках ротора:
Дополнительные механические потери:
P1ЭЛ m2 I 22 R2
Pмех
Потери машины в целом: P P1ээ P1сс P2ээ P2cт Pмех
P2 P1 P
КПД:
P1
P1
Номинальное значение КПД:
0,7 0,96

11.

Вращающий момент асинхронного двигателя
Электромагнитная мощность двигателя определяется моментом
(механическая мощность на валу двигателя)
Pэм M 2
2 – угловая скорость вращения ротора (рад/сек)
2 n2
2
60
С учётом математических преобразований
M cм I 2 Фm cos 2
Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален
току ротора, амплитуде вращающего магнитного потока и косинусу угла
между током и напряжением в роторе.
В асинхронном двигателе вращающий момент создается только
активной составляющей тока!
Учитывая происходящие электромагнитные процессы получим
m1 pU12 R2 / s
M
2 f (( R1 R2 / s ) 2 ( x1 x2 ) 2 )

12.

m1 pU12 R2 / s
M
2 f (( R1 R2 / s ) 2 ( x1 x2 ) 2 )
Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от скольжения!
Учитывая малость активного сопротивления обмотки статора R1 и
U1=const и введя реактивное сопротивление машины xк =x1+x 2 получим
зависимость:
с2 s
M
R2
m1 pU12
- постоянный к-т
где с2
2 f

13.

Зависимость момента от скольжения
Максимальное значение момента соответствует критическому скольжению sкр ,
которое найдем производной
dM
0
ds
R2
sкр
xк
Так как xк = const, критическое скольжение sкр зависит только от
сопротивления обмотки ротора R2 (R 2).
Обычно sкр = 0,1…0,2.

14.

Характеристики асинхронного двигателя
Механической характеристикой называют зависимость скорости
вращения двигателя от момента n2 = f(М) при U1=const и f=const.
Из формулы определения скорости n2 n1 (1 s ) n1 n1 s можем найти:
если s=1 тогда n2 = 0;
если s=0 тогда n2 = n1.
a-b - устойчивый режим работы двигателя;
b - максимальный момент двигателя;
c - пусковой момент двигателя;

15.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Рабочими характеристиками называют
зависимости:
n2 = f(P2 );
s = f(P2 );
M2 = f(P2 );
I1 = f(P2 );
cos 1 = f(P2 );
= f(P2 );
при U1 =const и f=const.
Механический (полезный) момент на валу:
P2
M 2 9,55
n2
Ток холостого хода асинхронного двигателя
составляет 40 – 60% от номинального тока!

16.

Пуск в ход асинхронных двигателей
В момент пуска n2 = 0 и скольжение s = 1.
Пусковой ток ротора (приведённое значение) при s=1:
I1 пуск
U1
( R1 R2 ) 2 ( x1 x 2 ) 2
Пусковой ток превышает номинальный в 5 – 7 раз. При
пуске появляется большой бросок тока первичной обмотки.
Поэтому к пуску предъявляется особые требования:
- пуск должен быть простым;
- пусковой момент должен быть достаточно большим;
- пусковой ток по возможности должен быть небольшим.

17.

Пуск асинхронного двигателя
А
В
С
S
Пр
Прямой пуск
Пуск переключением
«Звезда-треугольник»
рабочий режим – треугольник;
пусковой режим - звезда
17

18.

Пуск асинхронного двигателя
Пуск с помощью реакторов
Пуск с помощью
автотрансформатора

19.

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором
Механические характеристики

20.

Регулирование скорости асинхронного двигателя
60 f
n2 n1 (1 s )
(1 s )
p
Схема частотного регулирования
скорости АД
Механические характеристики АД при
частотном регулировании
20

21.

Регулирование скорости асинхронной машины с фазным ротором
n2 n1 (1 s )
Регулирование скорости
скольжением
(с сопротивлениями в цепи ротора)
60 f
(1 s )
p
Механические характеристики
21

22.

Режимы работы асинхронного двигателя
I – генераторный режим;
II – двигательный режим;
III –режим электромагнитного тормоза
Генераторный режим
n1
MG
n2
М
n2 n1
n1 n2
s
0
n1
G
Режим используют для
подтормаживания
Режим электромагнитного тормоза
n1
n2
М
M2
n2 0
n1 n2
s
1
n1
Режим используют для торможения
АД противовключением 22

23.

Способы соединения обмоток трёхфазного асинхронного
двигателя
С1 - С4 фаза А;
С2 - С5 фаза В;
С3 - С6 фаза С.

24.

Реверсирование (изменение направления вращения)
асинхронного двигателя
Прямое чередование
А, В, С
Обратное чередование
А, С, В
Способы торможения асинхронного двигателя
Схема замещения асинхронного двигателя
Подготавливаем самостоятельно!!!
24