Частота вращения ротора асинхронного двигателя следует из формул (3/2) и (3.4) и определяется соотношением:

, (3.30)

Откуда можно сделать вывод о трех принципиально возможных способах регулирования частоты вращения ротора изменением: частоты f₁ напряжения источника питания; числа пар полюсов р обмотки статора; скольжения S двигателя. Реализация частотного регулирования показfна графически на рис. 3.23а) и возможна только при наличии автономного источника питания, допускающего изменение частоты напряжения. Однако, одновременно с изменением частоты приходится соответственно изменять и амплитуду питающего напряжения, что позволит сохранить величину потребляемого тока, КПД и перегрузочной способности К_м=М_к/М_ном двигателя. Это усложняет и ограничивает использование частотного регулирования. На рис. 3.23а) показано частотное регулирование скорости при условии М_к=Const. Возможна реализация и других условий регулирования: P₂= Const; M≡f₁² и др. Регулирование скорости вращения ротора путем изменения числа полюсов статорной обмотки сравнительно широко используется в асинхронных двигателях. Для этого в пазы статора закладывают специальную полюсопереключаемую обмотку. Задача решается при конструировании машины. Схема обмотки может предусматривать получение двух, реже – трех, скоростей вращения. В качестве примера на рис. 3.23б) показаны два варианта схемы одной фазы статорной обмотки.

Рис.3.23. Регулирование частоты вращения ротора

асинхронного двигателя

Фаза имеет две катушечные группы, которые разными вариантами соединения выводов образуют двух- или четырехполюсную системы. Выводы катушечных групп выполняются в коробку выводов двигателя, и их переключение обеспечивается соответствующей коммутационной аппаратурой. Двигатели с переключением числа полюсов выполняют, как правило, двухскоростными. Реже – трех- или четырехскоростными. Двигатели с б`ольшим числом скоростей неэффективны и серийно не выпускаются. Регулирование скорости вращения ротора путем изменения скольжения может обеспечивать изменение скорости только в сторону её уменьшения. Это достигается путем снижения амплитуды напряжения питания или введением в цепь обмотки ротора дополнительного сопротивления. Суть этих способов ясна из рис. 3.21. В первом случае (рис. 3.21а) уменьшение напряжение приведет к некоторому снижению скорости, однако возможность такого регулирования ограничиваются опасностью опрокидывания двигателя. Во втором случае (рис. 3.21б) диапазон регулирования значительно шире, однако способ ограничивается применением только в двигателях с фазным ротором. Величину дополнительного сопротивления, позволяющего изменить скольжение при номинальной нагрузке от S_ном до S, можно рассчитать по формуле: r_доб=r₂·(S/S_ном – 1). Кроме этого, значительное увеличение скольжения приводит к неприемлемому уменьшению КПД машины. Поэтому этот способ применяется редко. Для плавного регулирования скорости вращения асинхронных двигателей с фазным ротором широко используют различные схемы включения, предусматривающие подаче в обмотку ротора питания от дополнительного источника с регулируемой частотой. Эти и другие схемы сложны в изучении и подробно изучаются в курсе электропривода

2.13. Пуск асинхронного электродвигателя

Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходом ротора и связанных с ним частей рабочего механизма из состояния покоя в равномерное вращение с заданной скоростью. В конце пуска развиваемый двигателем вращающий момент полностью уравновешивается противодействующим моментом рабочего механизма. Переходный процесс пуска сопровождается изменением потребляемого тока и вращающего момента от пускового до рабочего значения. Пусковые свойства характеризуются кратностью пускового тока (I_п/I_1ном) и кратностью пускового момента (М_п/М_ном). Хорошие пусковые свойства двигателя характеризуются максимальной кратностью пускового момента при сравнительно небольшом пусковом токе. На практике различают следующие способы пуска: прямой; при пониженном напряжении; реостатный. Прямой пуск применяют для двигателей с короткозамкнутым ротором. При прямом подключении двигателя его пусковой ток в 4÷7 раз превышает номинальное значение. Большой пусковой ток может привести к ощутимому снижению напряжения в сети. В результате пусковой момент упадет двигатель может не запуститься. Более того, могут «опрокинуться» другие, работающие под нагрузкой от этой же сети, асинхронные двигатели. Вот почему прямой пуск применяют для двигателей сравнительно небольшой мощности и вопрос решается в каждом конкретном случае. Прямой пуск получил распространение для асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт. Существенного снижения пускового тока можно достигнуть при пуске с пониженным напряжением. Этот способ применяют для короткозамкнутых двигателей большой мощности (Р₂≥1000кВт). Снижение напряжения приводит не только к уменьшению пускового тока, но и к падению величины пускового момента. Последнее может привести к тому, что двигатель под нагрузкой не запустится. Поэтому пуск в этом случае как правило производят на холостом ходу. Нагружается двигатель после разгона ротора до установившейся скорости. Понижение напряжения может производиться разными способами: автотрансформаторами; реакторами; переключением статорной обмотки со звезды на треугольник. Варианты схем, реализующие эти способы, показаны на рис. 3.24.

Рис.3.24. Варианты пуска асинхронного двигателя

при пониженном напряжении: а) автотрансформаторный;

б) реакторный; в) с переключением статорной обмотки

со звезды на треугольник

При пуске двигателя через понижающий автотрансформатор (рис. 3.24а) вначале замыкают рубильник К₁, соединяющий обмотки автотрансформатора звездой. Затем включают рубильник К₂ и двигатель оказывается подключенным на пониженное напряжение, величина которых зависит от положения подвижных контактов автотрансформатора.

Пусковой ток в обмотке статора при этом уменьшается в К_А раз, где К_А – коэффициент трансформации автотрансформатора. В проводах, подключающих автотрансформатор к сети, пусковой ток уменьшается в К²_А раз. После первоначального разгона двигателя рубильник К1 размыкают и автотрансформатор превращается в реактор – добавочное индуктивное сопротивление в цепи статорной обмотки двигателя. Это приводит к некоторому повышению напряжения на зажимах двигателя, но оно остается несколько пониженным на величины падения напряжения на автотрансформаторе. После достижения установившейся скорости замыкают рубильник К₃, после чего на двигатель подается полное напряжение. Пуск рассмотренным способом производится, как показано в три ступени. Это несколько усложняет пускорегулирующую аппаратуру, что является главным недостатком способа. Реакторный пуск (рис. 3.24б) выполнять удобнее, так как при этом сокращается количество аппаратуры, а дорогостоящий автотрансформатор заменяется тремя более дешевыми реакторами. Реактор представляет собой магнитопровод с катушкой и по сути является обычным дросселем. При разомкнутом рубильником К₂ включают рубильник К₁. Ток в обмотку двигателя поступает через ре6акторы L, на которых возникает падение напряжения jI_пx_L (здесь x_L – индуктивное сопротивление реактора). В результате падает напряжение на зажимах двигателя, что приводит к понижению пускового тока. После разгона ротора включают рубильник К₂, реактор закорачивается и на обмотку машины подается полное напряжение сети. Недостаток способа состоит в том, что пусковой момент двигателя уменьшается в большей степени, чем в предыдущем случае. Для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником, можно применить пуск с переключением обмотки со звезды на треугольник (рис. 3.24). В момент подключения двигателя к сети переключатель К₂ ставится в положение «звезда» и замыкают рубильник К₁. При этом фазное напряжение на обмотке статора понижается в √3 раз. Во столько же раз уменьшается и пусковой ток в фазах этой обмотки. Ток же в проводах от источника питания понижается при этом в 3 раза. После разгона ротора переключатель К₂ ставится в положение «треугольник» и фазы обмотки статора оказываются под действием напряжения сети. Следует помнить, что при втором переключении возникает некоторый небольшой бросок тока. Этот способ применяют только при пуске на холостом ходу, так как пусковой момент уменьшается в 3 раза. Для асинхронных двигателей с фазным ротором применяют реостатный пуск. В цепь ротора такого двигателя вводят трехфазный реостат Это позволяет одновременно обеспечить уменьшение пускового тока и увеличение пускового момента.

2.14. Однофазные и конденсаторные

асинхронные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель принципиально отличается от трехфазного только тем, что допускает устойчивый пуск и работу при питании от однофазной сети переменного тока. Простейшая электрическая схема однофазного асинхронного двигателя показана на рис. 3.25а).Особенностью его работы является то, что размещенная на статоре однофазная обмотка А при протекании по ней переменного тока создает пульсирующее магнитное поле. Ось магнитного поля остается неподвижной в пространстве. Графическое изображение пульсирующего поля показано на рис. 3.25б) в виде четырех позиций. Позиция 1 показывает два крайние положения вектора магнитного потока Ф_max.

Рис.3.25. Принцип работы и механическая характеристика

однофазного асинхронного двигателя

На последующих позициях показано, что пульсирующее поле можно условно представить двумя встречно вращающимися полями: прямое Ф_пр (вращается против часовой стрелки со скоростью n_пр) и обратное Ф_обр (вращается по часовой стрелке со скоростью n_обр). Их величины соотносятся с общим потоком согласно равенству: Ф_пр= Ф_обр=0,5 Ф_max..

Вращаясь в противоположные стороны с равными скоростями, вектора этих полей складываются и образуют общее поле машины Ф. Так, на позиции 2 они совпадают по направлению, образуя вектор +Ф_max. На позиции 3 показано промежуточное положение, когда составляющие Ф_пр и Ф_обр, суммируясь, образуют поток Ф<+Ф_max. Позиция 4 иллюстрирует случай, когда составляющие поля совершили поворот на угол 180^о и, складываясь, образуют вектор - Ф_max. Каждая из вращающихся составляющих, взаимодействуя с ротором, обусловливает возникновение вращающего момента. Таким образом, в рассматриваемой модели на ротор действуют два вращающих момента, направленных встречно друг к другу. Поэтому однофазный двигатель может быть представлен в виде двух двигателей с общим валом. Для каждого из них можно изобразить механическую характеристику ( М_пр=f(S_пр) и М_обр=f(S_обр) ) в общей системе координат, как показано на рис. 3.25в). Сложив величины прямого и обратного моментов в каждой точке горизонтальной оси, получим изображение результирующей механической характеристики однофазного двигателя М_рез. На этой кривой хорошо видно, что однофазный двигатель не имеет пускового момента. Он разгонится и приобретет устойчивое вращение в любую сторону, в какую дополнительным усилием первоначально будет раскручен ротор. Так, если ротор привести во вращение в каком-либо направлении и затем подключить выводы к сети, ротор разгонится в том же направлении и после этого сможет воспринять некоторую нагрузку М_с. Очевидно, что такой двигатель не может развить мощность, более половины мощности при работе в трехфазном режиме. Асинхронный двигатель можно подключить к сети с самозапуском. Для образования начального пускового момента на статоре предусматривают еще одну обмотку, ось которой сдвинута на некоторый угол (оптимально – на 90^о). Схема такого двигателя показана на рис. 3.26а). Дополнительная обмотка обозначена на схеме буквой В и её часто называют пусковой.

Рис.3.26. Однофазный асинхронный двигатель

с фазосдвигающими элементами

Она обычно занимает треть обмоточного пространства статора. Пусковая обмотка подключается к сети через фазосдвигающий элемент ФЭ с помощью кнопки «Пуск». Этот элемент должен изменять фазу тока i_B относительно тока i_A. Сочетание временного и пространственного сдвига магнитодвижущих сил обмоток А и В приводит, как известно, к тому, что их общее магнитное поле становится вращающимся. На рис. 3.26б) показаны механические характеристики двигателя с фазосдвигающим элементом (1) и без него (2). На рисунке видно, что наличие фазосдвигающего элемента приводит к появлению пускового момента М_п, что обеспечивает запуск двигателя. В качестве элемента ФЭ используют активное сопротивление или конденсатор. Первый вариант отличается меньшими затратами. В отдельных конструкциях ФЭ совмещают с обмоткой, для этого нужно только намотать обмотку более тонким приводом, чтобы поднять её активное сопротивление. Такую обмотку после достижения скольжения меньше критического необходимо отключать, что обеспечивается размыканием кнопки «Пуск». Это предотвратит перегрев двигателя. Пусковые условия существенно улучшаются, если в качестве фазосдвигающего элемента применить конденсатор. Подбором емкости можно добиться фазового сдвига токов 90^о, что приведет к соответствующему росту пускового момента. Однако это решение требует повышенных затрат и используется в обоснованных случаях. Следует отметить, что двигатель с пусковым элементом может развить мощность не выше 60% от мощности трехфазного варианта. Получили распространение асинхронные конденсаторные двигатели (рис. 3.26в). Машина имеет на статоре две одинаковые обмотки, оси которых сдвинуты друг относительно друга на 90 электрических градусов. В цепи одной из обмоток постоянно включен конденсатор С_р, называемый рабочим. Его емкость подбирается из условия получения наилучших характеристик машины при работе под нагрузкой. Однако, для получения максимального пускового момента величины емкости приходится увеличивать. Поэтому при пуске параллельно к рабочему конденсатору С_р через пусковую кнопку подключают дополнительную емкость С_п, называемой пусковой. Пуск двигателя производится в следующей последовательности. Замыкают кнопку «Пуск», затем включают рубильник К и после разгона ротора размыкают кнопку «Пуск». Если же емкость С_п после пуска оставить включенной, то при малых скольжения могут возникнуть резонансные явления и напряжение на обмотке и на конденсаторе возрастет в два-три раза. Достоинством такого решения является то, что можно достигнуть максимальной мощности двигателя при надежном и быстром запуске. Практически при правильном выборе пусковой и рабочей емкостей этот вариант может обеспечить мощность двигателя, не уступающей мощности трехфазной машины. Величину рабочей емкости можно определить по формуле:

C_р=1,6·10⁵ I_A Sinφ_A /(f₁U_Ak²) (мкФ), (3.31)

где: I_A – номинальный ток обмотки А; φ_A – фаза тока I_A относительно напряжения U_A; k = w_Bk_обВ/(w_Ak_обА) – коэффициент трансформации; k_{обА и} k_обВ – обмоточные коэффициенты соответствующих обмоток статора. При выборе типа конденсатора нужно учесть действующее на емкости напряжение, которое при круговом поле можно вычислить:

, (3.32)

Если обмотки конденсаторного двигателя одинаковые, он будет нормально работать и без конденсатора, если его подключить к двухфазному источнику переменного тока. Практическое значение имеет подключения к однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя. На рис. 3.26г) показаны наиболее часто встречающиеся схемы такого подключения. Значения рабочей емкости при частоте f₁=50Гц можно для этих схем определить по формуле:

С_р≈ G ·I₁/U_c, (3.33)

где: G – множитель, который для первой схемы равен 2700, для второй – 2800 и для третьей – 4800.Если пуск производится при значительной нагрузке на валу, то параллельно рабочей емкости С_р следует подключить пусковую С_п=(2,5÷3,0)С_р. Номинал пусковой емкости не должен превосходить 8,0· С_р. Рабочее напряжение конденсатора существенно определяет его стоимость. Оно выбирается примерно 1,3U_c. Опыт показывает, что при выборе конденсаторов типа КБГ или БГТ его рабочее напряжение следует уменьшить вдвое относительно указанного на корпусе. В приведенных схемах однофазного включения трехфазных двигателей следует рассчитывать на 70÷80% его номинальной мощности.

3. Заключительная часть

3.1. Заключение

В итоге проведения занятия обучаемые получили представление об устройстве, принципе работы и классификации асинхронных машин, принципах образования вращающегося магнитного поля и устройстве обмоток статора, решающих эту задачу. Важно, чтобы обучаемые поняли, почему ротор асинхронного двигателя не может самостоятельно достичь скорости вращения магнитного поля. Обучаемые должны уяснить, как в электрическом двигателе потребляемая из сети электрическая энергия преобразуется в энергию вращающегося магнитного поля и далее – в механическую энергию вращающегося вала. В результате изучения раздела обучаемые должны уметь объяснить влияние конструкции ротора на эксплуатационные возможности асинхронного двигателя. Изучение работы двигателя при неподвижном и при вращающемся роторе позволяет понять физическую сущность приведенных в конспекте элементарных математических моделей и формул, научиться пользоваться векторной и круговой диаграммой для определения главных характеристик двигателя. Обучаемые должны уяснить, что сложение переменных токов, напряжений и ЭДС должно производиться только в векторной форме. Наиболее удобно с этой точки зрения пользоваться На примере полной механической характеристики асинхронной машины обучаемые должны понять сущность режимов её работы и условия их обеспечения. Изучение механической характеристики асинхронного двигателя позволяет сделать важные выводы о возможностях устойчивой работы, регулирования и надежного экономичного пуска машины. Показаны возможности работы асинхронного двигателя с однофазной сетью, способы включения, расчет пусковых конденсаторов.

По итогам проведенного занятия обучаемые должны уметь:

Объяснить устройство асинхронной машины;

Выполнить классификацию типов асинхронных машин;

Объяснить принцип работы асинхронного электродвигателя;

Объяснить способ создания вращающегося магнитного поля, создаваемого многофазной системой обмоток;

Перечислить и объяснить условия создания кругового вращающегося магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя;

Назвать типы статорных обмоток асинхронных машин, их достоинства и недостатки;

Перечислить и объяснить физический смысл параметров статорной обмотки;

Нарисовать развернутую схему статорной обмотки любого типа:

Объяснить устройство короткозамкнутой и фазной обмоток ротора асинхронной машины;

Объяснить поведение подключенной к сети асинхронной машины при неподвижном роторе;

Перечислить, какие параметры двигателя нужно знать для определения пускового тока, уметь найти формулу и выполнить расчет;

Нарисовать схему включения асинхронной машины в качестве фазорегулятора и индукционного регулятора, объяснить их назначение;

Объяснить физический смысл понятия скольжения ротора;

Вычислить частоту вращения ротора двигателя, подключенного к сети промышленной частоты, с учетом числа полюсов и скольжения;

Объяснить специфику приведения параметров роторной цепи к статору асинхронной машины в отличие от трансформатора;

Объяснить назначение круговой диаграммы, показать на диаграмме определение потребляемой и полезной мощности двигателя при известном потребляемом токе;

Нарисовать полную механическую характеристику асинхронной машины и объяснить возможные режимы работы;

Нарисовать механическую характеристику асинхронного двигателя и объяснить её характерные точки;

Объяснить, какими способами можно регулировать величину вращающего момента двигателя при заданном скольжении;

Перечислить способы повышения пускового момента асинхронного двигателя;

Назвать способы пуска асинхронного двигателя и нарисовать схемы, их реализующие;

Перечислить способы запуска асинхронного двигателя от однофазной сети;

Нарисовать схемы включения конденсаторных двигателей и определить необходимую емкость конденсаторов.