Электрические машины переменного тока
Общие сведения. Вращающееся магнитное поле
Электрические машины переменного тока предназначены для взаимного преобразования механической и электрической энергии и по аналогии с электрическими машинами постоянного тока разделяются на генераторы и двигатели. Электрические машины переменного тока разделяются также на асинхронные и синхронные. Электрические машины имеют неподвижную часть — статор и вращающуюся часть — ротор.
Во всех электрических двигателях переменного тока основное назначение статора — создание вращающегося магнитного поля.
Для создания вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной системы токов нужны три катушки, сдвинутые в пространстве на 120° одна относительно другой. Частота вращения поля, называемая синхронной, определяется выражением
𝑛1 = 60𝑓 ⁄𝑝
При промышленной частоте f = 50 Гц и одной паре полюсов (р = = 1) синхронная частота вращения равна 3 000 об/мин.
Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя
Асинхронный двигатель является самым простым в конструктивном исполнении из всех электрических машин. Он состоит из двух основных узлов: неподвижного статора 1 и вращающегося ротора 2.
Статор выполняется в виде полого цилиндра с пазами на внутренней поверхности. В пазы укладывается обмотка 4 из изолированного провода. Изготовляют статор из тонких штампованных изолированных электрически друг от друга пластин из ферромагнитного материала. Проводники, уложенные в пазах статора равномерно, объединяются либо в три обмотки, оси которых сдвинуты в пространстве на 120°
Ротор асинхронного двигателя, выполняемый в виде сплошного цилиндра также из отдельных ферромагнитных пластин, имеет пазы на внешней поверхности, в которые укладывается обмотка. Обмотка ротора может быть короткозамкнутой или фазной.
Короткозамкнутая обмотка 3 (см. рис. а) выполняется заливкой пазов ферромагнитного ротора 2 алюминием с закорачиванием полученных стержней по торцам кольцами 5. В результате получается так называемое беличье колесо (рис. а).
Фазная обмотка укладывается изолированным проводом в виде трех фаз, соединенных звездой. Подключение обмотки ротора к цепи осуществляется с помощью трех контактных щеток, располагаемых на корпусе и скользящих по кольцам при вращении ротора.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники. При включении электродвигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.
На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые создают вращающий момент. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля. Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и в обмотке ротора исчезли бы индуцированные токи. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т.е. асинхронно.
Скольжением называется разность между частотой вращения вращающегося магнитного поля статора 𝑛1 и частотой вращения ротора 𝑛2.
Скольжение зависит от нагрузки двигателя. Скольжение является одной из важнейших характеристик электродвигателя: посредством него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора. При неподвижном (𝑛2 = 0) роторе s = 1. Таким скольжением обладает электродвигатель в момент пуска.
Механическая характеристика АД
Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения его ротора от нагрузки на его валу n = f(Mн). Вид механической характеристики показан на рисунке
Она имеет ряд характерных точек и определяет область устойчивой и неустойчивой работы двигателя: точка (0;n1) – идеальный холостой ход; (MK ; nK) – критическая частота вращения; (MП ; 0) – пусковой момент.
Характеристика делится на две области: 1 – (n1 - nK) – область устойчивой работы, в ней находится точка номинального режима (MН ; nН); 2 – (nK - 0) – Область неустойчивого режима, используемая при пуске или вынужденной остановке. Наэту характеристику влияет изменение напряжения сети и сопротивление в цепи ротора.
Помимо естественной характеристики для двигателя с фазным ротором могут быть получены искусственные механические характеристики. Для этого в цепь ротора включают Rдоб , чем больше Rдоб , тем «мягче» становится механическая характеристика
Можно подобрать такое Rдоб , чтобы пусковой момент приобрел максимальное значение
Потери в асинхронной машине. Энергетическая диаграмма
В электрических машинах с вращающимся ротором наряду с электрическими и магнитными потерями появляются механические потери.
Они вызваны в первую очередь трением в подшипниках и сопротивлением воздуха. Это существенно снижает КПД электрических машин, в том числе и асинхронного двигателя. Энергетическая диаграмма показана на рисунке
Энергетическая диаграмма поясняет преобразования подводимой к статору электрической мощности Р1. Часть ее тратится на электрические потери в обмотке статора Рэл1. Оставшаяся часть преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля. Но при этом сразу же возникают потери в стали статора — магнитные потери Рм. Электромагнитная мощность Рэм передается через воздушный зазор со статора на ротор. В роторе возникают электрические потери Рэл2. Оставшаяся мощность Рэм - Рэл2 = Рмех представляет собой полную механическую мощность, способную совершать работу. Но как только ротор приходит во вращение, появляются механические потери ΔРмех (на трение, вентиляцию).
Кроме того, существуют дополнительные потери Рдоп, обусловленные отклонением формы магнитного потока от синусоидальной, зубцовыми потерями, определяемыми формой и размерами пазов на внутренней поверхности статора, в которые уложена обмотка, и др.
Оставшаяся мощность Р2 — полезная механическая мощность, способная совершать работу.
Таким образом, суммарные потери в асинхронной машине
∑Р = Рэл1 + Рм + Рэл2 + ΔРмех + Рдоп
В этом случае КПД