Принцип действия трёхфазного АД

treugoma.ru › Электрические машины и аппараты › 

Принцип действия трёхфазного АД

Неподвижная часть АД – статор имеет трёхфазную обмотку, при включении которой в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля:

В расточке статора расположена вращающаяся часть АД – ротор, который состоит из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора состоит из стержней, уложенных в пазы сердечника и замкнуты с двух сторон кольцами.

Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Но так как обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создаёт на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы Fпр, направление которых определяется по правилу “левой руки”. Эти силы стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность этих сил, приложенных к отдельным проводникам, создаёт на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение со скоростью n2. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависит от порядка чередования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. При необходимости изменить направление вращения ротора , достаточно поменять местами любую пару проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Скорость вращения ротора n2 АД всегда меньше скорости вращения поля n1, т.к. только в этом случае возможно наведение ЭДС в обмотке ротора. Разность скоростей ротора и вращающегося поля статора характеризуется скольжением s

Часто скольжение выражается в %, тогда:

Скольжение АД может изменяться от 0 до 1. При этом s = 0 соответствует режиму х.х., когда ротор АД не испытывает противодействующих моментов, а s = 1 соответствует режиму к.з., когда противодействующий момент АД превышает вращающий момент и поэтому ротор АД неподвижен (n2 = 0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке АД, называется номинальным скольжением. Скорость вращения ротора АД равна:

n2 = (1 – s)n1.

Рабочий процесс АД.

В процессе работы АД токи в обмотках статора и ротора создают в машине две намагничивающие силы: н.с. статора и н.с. ротора. Совместным действием этих н.с. в АД создаётся результирующий магнитный поток, вращающийся относительно статора с синхронной скоростью n1. Так же, как и в трансформаторе, этот магнитный поток можно рассматривать состоящим из основного потока Ф, сцеплённого как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора, и двух потоков рассеяния: потока рассеяния обмотки статора Фр1 и потока рассеяния обмотки ротора Фр2.

Рассмотрим, какие ЭДС наводятся в обмотках АД.

В обмотке статора. Основной магнитный поток Ф, вращающийся со скоростью n1, наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е1, величина которой определяется выражением:

Е1 = 4,44Фfω1К1.

Магнитный поток рассеяния Фр1 наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Ер1, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора:

- Ėр1 = jİ1х1, где х1 – индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора. Кроме того, ток I1 в обмотке статора создаёт падение напряжения в активном сопротивлении:

Ėr = İ1r1, где r1 – активное сопротивление одной фазы обмотки статора. Таким образом, напряжение сети U1, подведённое к обмотке статора, уравновешивается суммой ЭДС, наведённых в этой обмотке:

Ú1 = (- Ė1) + (- Ėр1) + Ėr,

Или

Ú1 = (-Ė1) + jİ1х1 + İ1r1уравнение ЭДС обмотки статора АД.

В обмотке ротора. В процессе работы АД ротор вращается в сторону вращения магнитного поля статора со скоростью n2. Поэтому скорость вращения поля статора относительно ротора равна разности скоростей n1 – n2. Основной магнитный поток Ф обмотки статора, обгоняя ротор со скоростью n1 – n2, индуктирует в обмотке ротора ЭДС:

Е2s = 4,44Фf2ω2К2.

Где К2 – обмоточный коэффициент обмотки ротора; ω2 – число последовательно соединённых витков одной фазы обмотки ротора; f2 – частота ЭДС Е2s.

Частота f2 определяется скоростью вращения магнитного поля статора относительно ротора n1 – n2 и числом пар полюсов обмотки статора:

f2 = р(n1 – n2)/60

Преобразуем выражение, получим:

f2 = р(n1 – n2)·n1/n1 = рn1/60·(n1 – n2)/n1 = f1s1,

т.е. частота ЭДС в обмотке ротора пропорциональна скольжению. Для большинства АД эта величина невелика и обычно составляет 2 – 2,5 гц. Подставим полученное выражение в основную формулу, получим:

Е2s = 4,44 f1s1Ф ω2К2 = Е2s.

Е2 представляет собой ЭДС, наведённую в обмотке ротора при скольжении равном единице, т.е. при неподвижном роторе. Поток рассеяния ротора Фр2 индуктирует в обмотке ротора ЭДС рассеяния Ер2, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в этой обмотке:

Ėр2 = - jİ22,

Где х2 – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки при неподвижном роторе. Так как в процессе работы АД обмотка ротора замкнута накоротко, то сумма ЭДС в цепи ротора равна нулю:

2- jİ22 –İ2r2 = 0, где r2 – активное сопротивление цепи ротора.

Разделив все члены равенства на s, получим уравнение ЭДС для цепи обмотки ротора: Ė2 - 2х2 - İ2(r2/s) = 0.

Уравнение намагничивающих сил и токов АД.

Основной магнитный поток Ф в АД создаётся совместным действием намагничивающих сил обмоток статора и ротора F1 и F2, т.е.:

Ф = (F1 + F2)/Rм = F0/Rм

Rм – магнитное сопротивление магнитной системы двигателя потоку Ф;

F0 = F1 + F2 – результирующая намагничивающая сила АД, численно равная н.с. обмотки статора в режиме х.х., величина этой н.с. равна:

F0 = 0,45m1(I0ω1/р)К1

I0 – ток холостого хода.

Намагничивающие силы обмоток статора и ротора в режиме нагруженного двигателя:

F1 = 0,45m1(I1ω1/р)К1;

F2 = 0,45m2(I2ω2/р)К2,

Где m1,m2 – число фаз в обмотках статора и ротора;

К1, К2 – обмоточный коэффициент обмотки статора и ротора.

При изменениях нагрузки на валу АД меняются токи в обмотках, что вызывает соответствующие изменения н.с. обмоток статора и ротора. Но основной магнитный поток Ф при этом остаётся неизменным, т.к. напряжение, подведённое к обмотке статора, неизменно (U1 = const) и почти полностью уравновешивается ЭДС Е1 обмотки статора

Ú1 ≈ (- Ė1).

Поскольку ЭДС Е1 пропорциональна основному потоку Ф, то последний при изменениях нагрузки остаётся неизменным. Этим и объясняется то, что, несмотря на изменения F1 и F2, результирующая F0 остаётся неизменной

F0 = F1 + F2 = const.

Подставив вместо F0, F1 и F2 их значения, получим:

Разделив это равенство на , получим уравнение токов АД

Í2 – ток ротора, приведённый к обмотке статора.

Преобразовав уравнение, получим выражение тока статора

İ1 = İ0 + (-Í2),

Из которого следует, что ток статора имеет две составляющие: İ0 – намагничивающую и ( – Í2) – составляющую, которая компенсирует размагничивающее действие тока ротора. Следовательно, ток ротора Í2 оказывает на магнитную систему АД такое же размагничивающее влияние, как и ток вторичной обмотки трансформатора. Этим объясняется то, что любое изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением тока в обмотке статора I1. Дело в том, что изменение на валу АД вызывает изменение скольжения s. Это, в свою очередь, влияет на ЭДС обмотки ротора, а следовательно, и на величину тока ротора I2. Но так как ток ротора оказывает размагничивающее влияние на магнитную цепь АД, то его изменения вызывают соответствующие изменения тока в цепи статора за счёт составляющей (-Í2).

Приведение параметров обмотки ротора к обмотке статора.

Для того, чтобы векторы величин обмоток ротора и статора можно было изобразить на одной векторной диаграмме, параметры обмотки ротора необходимо привести к обмотке статора. При этом обмотку ротора с числом фаз m2, обмоточным коэффициентом К2 и числом витков фазы ω2 заменяют обмоткой с m1, ω1 и К1. При такой замене энергетический баланс в роторе должен остаться неизменным, т.е. у приведённого ротора мощности и углы фазовых сдвигов векторов должны остаться такими же, что и до приведения.Таким образом, приведение параметров обмотки ротора к обмотке статора аналогично приведению параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Пересчёт реальных параметров обмотки ротора к обмотке статора ведётся по следующим формулам.

Приведённая ЭДС ротора при s = 1

É2 = Е2Ке, где Ке = Е12 = К1ω12ω2 – коэффициент трансформации напряжения в АД при неподвижном роторе.

Приведённый ток ротора

Í2 = I2(1/Кi), где Кi = m1ω1К1/m2ω2К2 = (m1/m2е – коэффициент трансформации тока в АД.

В отличии от трансформаторов в АД Ке и Кi не равны, т.к. в общем случае число фаз в обмотке статора и в обмотке ротора не равны.

Активное и индуктивное приведённые сопротивления обмотки ротора

ŕ2 = r2КеКi;

x´ = х2КеКi

Следует отметить некоторую специфику определения числа фаз к.з. ротора и числа витков к.з. ротора. Каждый стержень этой обмотки можно рассматривать как фазную обмотку. Поэтому число витков одной фазы обмотки ротора принимается равным:

ω2 = ½

обмоточный коэффициент обмотки ротора К2 = 1, число фаз обмотки ротора принимается равным числу стержней

m2 = Z2

Потери и КПД АД.

Преобразование энергии в АД, как и в других ЭМ, связано с потерями энергии. Эти потери делятся на механические, магнитные и электрические.

Из сети в обмотку статора поступает мощность Р1. Часть этой мощности расходуется на покрытие магнитных потерь в сердечнике статора рс1, а также в обмотке статора на покрытие электрических потерь, обусловленных нагревом обмотки,

рэ1 = m1I21r1

Оставшаяся часть мощности при помощи магнитного потока передаётся на ротор и поэтому называется электромагнитной мощностью

Рэм = Р1 – (рс1 + рэ1).

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора

рэ2 = m2I22r2 = m1222.

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность АД, называемую полной механической мощностью

Р´2 = Рэм – рэ2.

Преобразовав эту формулу, можно записать выражение полной механической мощности:

Р´2 = m1222((1 – s)/s) = рэ2((1 – s)/s).

Подставим полученное выражение в предыдущую формулу

рэ2((1 – s)/s) = Рэм – рэ2.

Преобразовав это выражение, получим:

рэ2 = sРэм

т.е. мощность электрических потерь в роторе пропорциональна скольжению.

Необходимо отметить, что в роторе АД возникают также и магнитные потери, но ввиду небольшой частоты тока ротора (f2 = f1s) эти потери настолько малы, что ими обычно пренебрегают.

Механическая мощность на валу АД Р2 меньше полной механической мощности Р´2 на величину механических рмех. и добавочных рд потерь, т.е.

Р2 = Р´2 – (рмех + рд).

Механические потери в АД обусловлены трением в подшипниках и трением вращающихся частей о воздух. Добавочные потери вызваны наличием в двигателе полей рассеяния и пульсацией поля в зубцах ротора и статора. Таким образом, полезная мощность АД будет:

Р2 = Р1 – Σр, где Σр – сумма потерь в АД.

Σр = рс1 + рэ1 + рэ2 + рмех + рд.

Коэффициент полезного действия КПД асинхронного двигателя:

Η = Р21 = 1 – (Σр/Р1).

Благодаря отсутствию коллектора КПД АД выше, чем у двигателей постоянного тока. В зависимости от мощности АД их КПД при номинальной нагрузке может быть 83 – 95%( чем больше мощность, тем выше КПД).

Рабочие характеристики АД.

Рабочие характеристики АД зависят от скорости вращения n2, КПД η, полезного момента М2, коэффициента мощности cosφ1 и величины тока I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const и f1 = const.

Скоростная характеристика n2 = f(P2). Из формулы скольжения следует, что n2 = n1(1 – s). Но в то же время s = рэ2эм, т.е. скольжение АД, а следовательно, его скорость вращения определяется отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности Рэм. Пренебрегая потерями х.х., можно принять, что при работе АД без нагрузки рэ2 ≈ 0, поэтому s ≈ 0 и n2 ≈ n1. По мере увеличения нагрузки отношение растёт, достигая значений 0,01 – 0,06 при номинальной нагрузке. Однако при увеличении активного сопротивления r´2 изменяется скорость вращения ротора n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастает. Объясняется это тем, что с увеличением r´2 электрические потери в роторе рэ2 увеличиваются.

Зависимость М2 = f(Р2). Зависимость полезного момента на валу двигателя от мощности Р2 определяется:

М2 = Р22 = 60Р2/2πn2 (нм),

или

М2 = 0,975(Р2/n2) (кГм).

В АД с увеличением Р2 скорость вращения уменьшается, а поэтому полезный момент М2 с увеличением нагрузки возрастёт несколько быстрее, чем Р2.

Зависимость cosφ1 = f(P2). В связи с тем, что в АД ток статора I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля, коэффициент мощности АД меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму х.х. Объясняется это тем, что величина тока х.х. I0 при любой нагрузке остаётся практически неизменной. При малых нагрузках АД, когда приведённый ток ротора I´2 невелик, ток статора İ1 = İ0 + (-I´2) является в значительной части реактивным и поэтому он сдвинут по фазе относительно напряжения U1 на угол φ1, который лишь немногим меньше 900. Коэффициент мощности АД в режиме х.х. обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на вал АД растёт активная составляющая тока I1. В этом случае коэффициент мощности возрастёт, достигая наибольшей величины (0,8 – 0,9) при нагрузке близкой к номинальной.

Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cosφ1, что объясняется увеличением индуктивного сопротивления ротора (х2s) за счёт увеличения скольжения. В целях повышения коэффициента мощности АД чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или, по крайней мере, значительную часть времени с номинальной нагрузкой. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности АД. Если же АД значительную часть времени работает недогруженным, то для повышения cosφ1 целесообразно подводимое к АД напряжение U1 уменьшить. В АД, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать, переключив обмотки статора с треугольника на звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в 1,73 раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток статора уменьшаются примерно во столько же раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Всё это способствует повышению коэффициента мощности АД.

Пусковые свойства АД.

Пусковые свойства АД оцениваются его пусковыми характеристиками:

-величиной пускового тока Iп или его кратностью Iп/I;

-величиной пускового момента Мп или его кратностью Мпн;

-продолжительностью и плавностью пуска АД в ход;

-сложностью пусковой операции;

-экономичностью пусковой операции (стоимость и надёжность пусковой аппаратуры).

В начальный момент пуска скольжение s = 1, поэтому, пренебрегая током х.х., величину пускового тока Iп определим:

Отсюда следует, что улучшить пусковые свойства АД можно путём увеличения активного сопротивления цепи ротора r´2, т.к. в этом случае уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. В то же время напряжение U по-разному влияет на пусковые характеристики: с уменьшением U пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства АД, но одновременно это вызывает уменьшение пускового момента.

Специализированные АМ.

Индукционный регулятор и фазорегулятор.

Индукционный регулятор (ИР) представляет собой заторможенный АД с контактными кольцами. Им можно регулировать напряжение в широких пределах. Статорная и роторная обмотки в ИР соединены электрически, но так, чтобы они могли быть смещены относительно друг друга поворотом ротора. При подключении ИР к сети вращающееся магнитное поле наводит в обмотках статора и ротора ЭДС Е1 и Е2. При совпадении осей обмоток Е1 и Е2 совпадают по фазе и на выходных зажимах регулятора устанавливается максимальное напряжение. При повороте ротора ось обмотки поворачивается на некоторый угол α. При этом напряжение на выходе регулятора, равное геометрической сумме Ú = Ė12, уменьшается. Поворотом ротора на угол α = 180 эл. Градусов, на выходе регулятора устанавливается минимальное напряжение. ИР применяются в лабораторной практике, в автоматике, а также в распределительных сетях для регулирования напряжения. Для поворота ротора в ИР обычно применяется червячная передача, которая одновременно осуществляет торможение ротора.

Фазорегуляторы (ФР) предназначены для изменения фазы вторичного напряжения относительно первичного. При этом величина вторичного напряжения остаётся неизменной. ФР представляет собой асинхронную трёхфазную машину с контактными кольцами, заторможенную специальным поворотным устройством (обычно червячной передачей). Напряжение подводится к обмотке статора и снимается с выводов обмотки ротора. В отличии от ИР в ФР обмотки статора и ротора электрически не соединены. Изменение фазы вторичного напряжения осуществляется поворотом ротора относительно статора. ФР применяются в автоматике и в измерительной технике.

Асинхронный преобразователь частоты (АПЧ).

Как известно, частота тока в цепи ротора АМ зависит от скольжения, т.е. определяется разностью скоростей вращающегося поля статора и ротора. Данное свойство позволяет использовать АМ в качестве преобразователя частоты. В этом случае обмотка статора подключается к сети промышленной частоты, а ротор посредством постороннего двигателя приводится во вращение против поля статора, т.е. в направлении, противоположным его вращению при работе машины в режиме двигателя. При этом скольжение возрастёт от единицы и выше, а частота тока ротора увеличится по сравнению с частотой тока питающей сети. Если требуется уменьшить частоту питающей сети, то ротор преобразователя вращают в направлении вращения поля статора. ЭДС, наведённая в обмотке ротора, через контактные кольца и щётки подаётся потребителю.

Электромагнитная асинхронная муфта.

Муфта устроена по принципу АД и служит для передачи вращающегося момента от одного вала (ведущего) к другому валу (ведомому). Принцип работы муфты аналогичен работе АД, только вращающийся магнитный поток здесь создаётся механическим вращением полюсной части. Вращающий момент от ведущего вала к ведомому передаётся через магнитный поток. Разъединение муфты производится отключением тока возбуждения.

АМ в системе синхронной передачи.

В устройствах автоматики иногда возникает необходимость в одновременном (синхронном) вращении или повороте на определённый угол валов механизмов, находящихся на расстоянии друг от друга и механически не связанных между собой. Для осуществления этого процесса применяют синхронную передачу, в которой механическая связь между валами механизмов заменена электрической связью. Основными элементами такой синхронной передачи являются сельсины.

Сельсин представляет собой электрическую машину, имеющую две обмотки: однофазную, называемую обмоткой возбуждения, и трёхфазную, соединённую звездой – обмотку синхронизации. Одна из обмоток располагается на роторе, а другая – на статоре.

Простейшая синхронная передача содержит два сельсина: сельсин-датчик и сельсин-приёмник. При включении обмоток возбуждения сельсинов на напряжение в каждом сельсине создаётся пульсирующий магнитный поток. Этот поток наводит в обмотке синхронизации датчика ЭДС. Магнитный поток также наводит в обмотке синхронизации приёмника ЭДС. ЭДС датчика и приёмника в цепи синхронизации направлены встречно друг другу. Если ротор приёмника занимает положение относительно статора такое же, что и ротор датчика относительно своего статора, то ЭДС датчика и приёмника равны по величине. В этом случае сумма ЭДС в цепи синхронизации равна нулю и синхронная передача находится в состоянии равновесия. Если ротор сельсина-датчика повернуть на некоторый угол α, то величина ЭДС датчика в обмотке синхронизации изменится, и равенство ЭДС нарушится. При этом в цепи синхронизации будет действовать результирующая ЭДС, которая создаст ток синхронизации.

Ток синхронизации датчика будет взаимодействовать с магнитным потоком возбуждения и создаст на роторе датчика электромагнитный момент, направленный встречно повороту ротора датчика, т.е. являющийся противодействующим. Этот момент преодолевается механизмом, поворачивающим ротор датчика на заданный угол.

Ток синхронизации приёмника также взаимодействует с магнитным потоком возбуждения и создаёт электромагнитный момент, направленный в сторону поворота ротора датчика. Под воздействием этого момента, называемого синхронизирующим, ротор приёмника поворачивается. Но после того, как он повернётся на заданный угол и займёт такое же положение относительно статора, что и ротор датчика, ЭДС приёмника вновь станет равной ЭДС датчика, в системе вновь восстановится равновесие. Однако угол поворота, установленный ротором датчика, воспроизводится ротором преемника с некоторой ошибкой – рассогласованием. Дело в том, что для поворота ротора приёмника необходимо, что бы синхронизирующий момент преодолел противодействующий момент, вызванный силами трения в подшипниках и на контактных кольцах, а иногда ещё и полезной нагрузкой на валу приёмника. Ошибка в воспроизведении угла поворота оценивается величиной, называемой углом рассогласования. Ротор сельсина-приёмника синхронно следует за ротором датчика, но угол рассогласования между роторами сельсинов всегда имеется и он тем больше, чем больше противодействующий момент на валу сельсина-приёмника. Угол рассогласования обычно не превышает 2,50, а у сельсинов высокой точности он не превышает 0,750.

По своей конструкции сельсины разделяются на контактные и бесконтактные. Контактные сельсины в принципе не отличаются от АД с контактными кольцами. В некоторых конструкциях статор и ротор сельсина делают с явновыраженными полюсами. Такая конструкция даёт возможность несколько повысить величину синхронизирующего момента. Бесконтактные сельсины являются наиболее совершенными, т.к. не имеют скользящих контактов и обе обмотки расположены на статоре. Ротор бесконтактного сельсина представляет собой цилиндр из ферромагнитного материала, разделённый немагнитной прослойкой на две магнитно-изолированные части – полюса. Магнитной изоляцией является алюминий, который заливается в ротор и является одновременно материалом, скрепляющим части ротора. Отсутствие электрического скользящего контакта повышает надёжность работы и стабильность свойств бесконтактных сельсинов по сравнению с контактными. Бесконтактные сельсины имеют ряд недостатков: сложность конструкции; повышенные вес и габариты; относительно большой ток возбуждения, который объясняется большим магнитным сопротивлением на пути магнитного потока: магнитный поток четыре раза проходит через воздушный зазор.

Редко применяемые АД.

Исполнительные – применяются в устройствах автоматики и предназначены для преобразования электрических сигналов в механическое перемещение.

Гистерезисные – обычно небольшой мощности (микродвигатели) и применяются в автоматике.

Синхронизированные – представляют собой комбинацию синхронного и асинхронного двигателей. Благодаря этому он имеет хорошие пусковые свойства АД и высокий коэффициент мощности синхронной машины.



Опубликовать


Если вам понравилась эта статья, разместите ссылку у себя на сайте или форуме. Для этого скопируйте текст, расположенный ниже:

Ссылка на статью для форума (bbcodes):
[url=http://treugoma.ru/machines/princip-deistvia-trehfaznogo-as-dvigatela/]Принцип действия трёхфазного АД[/url]
html ссылка:
<a target="_blank" title="Принцип действия трёхфазного АД" href="http://treugoma.ru/machines/princip-deistvia-trehfaznogo-as-dvigatela/">Принцип действия трёхфазного АД</a>


Поиск по сайту

© 2010 - 2024 treugoma.ru