9. Асинхронный двигатель. Устройство, схема включения и начало пуска.

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин —индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:

1. Лёгкость в изготовлении.

2. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

1. Небольшой пусковой момент.

2. Значительный пусковой ток.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

Фазные обмотки статора электродвигателя соединяются в звезду или треугольник (в зависимости от напряжения сети). Если в паспорте электродвигателя указано, что обмотки выполнены на напряжение 220/380 В, то при включении его в сеть с линейным напряжением 220 В обмотки соединяют в треугольник, а при включении в сеть 380 В - в звезду. 

Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя: а - в звезду, б - в треугольник, в - в звезду и треугольник на клеммном щитке электродвигателя 

Схема включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором: 1 - обмотка статора, 2 - обмотка ротора, 3 - контактные кольца, 4 - щетки, R - резисторы.

Для изменения направления вращения вала асинхронного двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Для этого достаточно поменять местами два любых провода, соединяющих обмотку статора с питающей сетью.

10. Асинхронная машина  — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

14. Классификация и условное обозначение электрических машин по конструктивному исполнению и способу монтажа устанавливается ГОСТ 2479-79. Условное обозначение электрической машины состоит из буквенной части Ш и следующих за ней четырех цифр. Первая цифра является номером группы, в которую входит машина по конструктивному исполнению. Условные обозначения каждой группы приведены в табл. 1. В каждой из девяти групп машины подразделяются в зависимости от способа монтажа (вторая и третья цифры в условном обозначении). Количество и исполнение концов вала обозначается четвертой цифрой. Пример условного обозначения электрической машины с двумя подшипниковыми щитами, на лапах, с горизонтальным валом и одним цилиндрическим концом вала: IM1001. Таблица 1. Группы конструктивных исполнений электрических машин Условное обозначение группы Конструктивное исполнение машин IM1 Машины на лапах с подшипниковыми щитами IM2 Машины на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите (или щитах) IM3 Машины без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на одном подшипниковом щите IM4 Машины без лап с подшипниковыми щитами, с фланцем на станине IM5 Машины без подшипников IM6 Машины с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками ТМ7 Машины со стояковыми подшипниками (без подшипниковых щитов) IM8 Машины с вертикальным валом, не охватываемые группами от ГМ1   до IM4 IM9 Машины специального исполнения по способу монтажа

  

15. Первый закон электромеханики: Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД,равным 100%.

16. Второй закон электромеханики: В генераторе проводник якоря движется в магнитном поле ротора. При движении проводника в нем возникает ЭДС= E=BLV

Генераторный режим. Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение  .

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

17. Второй закон электромеханики: В генераторе проводник якоря движется в магнитном поле ротора.При движении проводника в нем возникает ЭДС= E=BLV

Все электротехнические преобразователи обратимы, т.е. могут работать как в двигательном так и в генераторном режиме. Если поток механической энергии преобразуется в поток электрической энергии, устанавливается генераторный режим работы.

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору,называется электромагнитной мощность. P=FэмV

18. Второй закон электромеханики: В генераторе проводник якоря движется в магнитном поле ротора. При движении проводника в нем возникает ЭДС= E=BLV

Генераторный режим. Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение  .

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Баланс мощностей:

Pэл+ΔPэл=Рэм

21-19. Если подать напряжение (от какого-нибудь источника) на зажимы обмотки неподвижного якоря, то в цепи якоря начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем возбуждения приведет к появлению вращающего момента. Если этот момент больше тормозного момента на валу (вызванного трением в подшипниках, вентиляцией, нагрузкой), то ротор начнет раскручиваться и достигнет установившейся скорости. Машина будет работать в двигательном режиме. Приложенное к якорю напряжение будет больше ЭДС, индуцированной в обмотке якоря, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении:

U = Е_а + R_а·I_а.

Уравнение баланса мощности для двигательного режима работы имеет вид

P_эл= P_мех+ P_К + P_В,

где P_эл- электрическая мощность потребляемая от сети, P_мех- полезная механическая мощность на валу двигателя.

Мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется по формуле

Р1 = √3 U1I1cos φ1.

Часть   этой   мощности   теряется   в   обмотке статора:

ΔРобм1 = 3 I12r1,

а часть, ΔРст1, составляет потери в сердечнике статора от перемагничивания и вихревых токов.

Мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, называется электромагнитной мощностью и составляет

Рэм = P1 - ΔРобм1 - ΔРст1 = 3Е2кI2 cos ψ2.

Часть электромагнитной мощности теряется в обмотке ротора:

ΔРобм2 = 3 I22r2,

а часть, ΔРст2, составляет потери в сердечнике ротора от гистерезиса и перемагничивания.

Мощность, преобразуемая в механическую, равна

Рмех = Рэм - ΔРобм2 - ΔРст2.

Небольшая часть механической мощности теряется на тре-ние в подшипниках ротора о воздух и вентиляцию.

Мощность, развиваемая двигателем на валу,

Рв = Рмех - ΔРмех .

Все потери мощности, кроме вентиляционных, которые представляют собой затраты мощности на продувание воздуха внутри двигателя с целью лучшего охлаждения, превращаются в теплоту и нагревают двигатель.

22. Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы подразделяются на:

1. генераторы независимого возбуждения;

2. генераторы с самовозбуждением;

• генераторы параллельного возбуждения;

• генераторы последовательного возбуждения;

• генераторы смешанного возбуждения;

Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения не зависит от тока якоря , который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря.

Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристика холостого хода при и . Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. составляет 2…4 % от .

Внешней характеристикой называется зависимость при и . Под нагрузкой напряжение генератора

где – сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки). С увеличением нагрузки напряжение уменьшается по двум причинам:

• из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении машины;

• из-за уменьшения ЭДС в результате размагничивающего действия реакции якоря.

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.

Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения от тока якоря при постоянном напряжении и оборотах . Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи. При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС , поток и ток возбуждения . Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с , , зависящими от величины сопротивления цепи возбуждения.

Для режима холостого хода генератора:

где – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением. У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения Iв равен току якоря Iа. Поэтому при холостом ходе, когда Iв = Iа =I = 0, ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна Еост.

Характеристики холостого хода и нагрузочная для такого генератора могут быть сняты при питании обмотки от независимого источника. Эти характеристики имеют тот же вид, что и для генератора независимого возбуждения.

Самовозбуждение генератора происходит, если сопротивление цепи якоря меньше критического. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 12 (кривая 2). На этом же рисунке изображена характеристика холостого хода E=f(Iв) (кривая 1). При одном и том же токе Iв = I напряжение генератора меньше, чем ЭДС по характеристике холостого хода, из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

При малых нагрузках, когда ток якоря и, следовательно, ток возбуждения малы, магнитная система машины ненасыщена и ее ЭДС изменяется пропорционально току I. Падение напряжения и размагничивающее действие реакции якоря практически изменяются также пропорционально току I.Поэтому напряжение на выводах машины растет пропорционально току I. При больших токах происходит насыщение магнитной системы машины, вследствие чего ЭДС при увеличении I будет изменяться мало. Поэтому и напряжение с ростом тока нагрузки увеличивается незначительно, а при очень больших токах нагрузки из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря оно начинает уменьшаться.

В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение компенсировало суммарное падение напряжения при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение при изменении тока нагрузки от нуля до

23. Двигатель постоянного тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определенных условиях способны работать как генераторы.

Статор

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции:

постоянные магниты обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики эл.двигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть создания максимального момента на роторе).

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора(снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллекора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора. Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пастины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Принцип работы

На рамку с током, находящуюся в магнитном поле возбуждения статора, действуют силы, создающие момент на роторе.

Управление ДПТ

Механическая характеристика ДПТ

Зависимость частоты от момента на валу ДПТ. Отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном.

Механическая характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания обмоток ротора. В случае построения мех. характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе механических характеристик ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Зависимость частоты от момента на вале ДПТ. Отображается в виде график. Горизонтальная ось (абцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.

Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом моменте, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе механических хар-ик ДПТ.

Управление ДПТ

Управляемые приводы на основе ДПТ используют для управления идеи ШИМ.

Управление двигаталем осуществляется по току в обмотке двигателя, который пропорционален напряжению, приложенному к этой обмотке. Реакцию двигателя на данное напряжение при определённом внешнем моменте можно увидеть на соответствующей регулировочной характеристике. Регулировочная характеристика показывает скорость, которую двигатель достигнет в установившемся режиме.

Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:

M = kmI — момент, развиваемый двигателем, пропорционален току в обмотке якоря (ротора). km — коэффициент момента двигателя.

E = keω — противоЭДС в обмотках якоря пропорционально угловой частоте пращения ротора. ke — коэффициент ЭДС двигателя.

U = RI — закон Ома для обмотки ротора. R — сопротивление обмотки ротора, I, U — ток в ней и напряжение, подаваемое на обмотку ротора

Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

• Простота устройства и управления

• Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя

Недостатки:

• Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов

• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

24-25. Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое исполнение, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

Двигательный принцип

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Частота вращения ротора [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети [Гц] соотношением: ,

где — число пар полюсов ротора.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют импеданс с емкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС [Гц] связана с частотой вращения ротора [об/мин] соотношением: ,

где — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

26. Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Достоинства:

Лёгкость в изготовлении.

Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

Небольшой пусковой момент.

Значительный пусковой ток.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

На обмотку статора подается переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создает вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Двигательный режим

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки (а точнее, на зубцы сердечника ротора), действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор вслед за магнитным полем. Если этот момент достаточен для преодоления сил трения, ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках, вентиляцией и т. д. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать вращающий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство: .

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением: . Очевидно, что при двигательном режиме .

Генераторный режим

Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение . Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Асинхронный генератор потребляет реактивный ток и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Из-за этого, несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторов малой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств. Зато генераторный режим асинхронного двигателя используется довольно часто. В таком режиме работают двигатели эскалаторов метро, которые едут вниз. В генераторном режиме работают двигатели лифтов, в зависимости от соотношения веса в кабине и в противовесе.

Режим холостого хода

Режим холостого хода асинхронного двигателя возникает при отсутствии на валу нагрузки в виде редуктора и рабочего органа. Из опыта холостого хода могут быть определены значения намагничивающего тока и мощности потерь в магнитопроводе, в подшипниках, в вентиляторе. В режиме реального холостого хода s=0,01-0,08. В режиме идеального холостого хода n₂=n₁, следовательно s=0 (на самом деле этот режим недостижим, даже при допущении, что трение в подшипниках не создаёт свой момент нагрузки - сам принцип работы двигателя подразумевает отставание ротора от поля статора для создания поля ротора. При s=0 поле статора не пересекает обмотки ротора и не может индуцировать в нём ток, а значит не создаётся магнитное поле ротора.)

27. Переходное сопротивление х'и трансформатора и индуктивное сопротивление КЗ равны при условии я12 ->• оо, что соответствует допущению равенства тока XX нулю: х'п = Хц — х*2/х& — = Хк.

Основные допущения, принимаемые при математическом исследовании электрических машин

В настоящее время при исследовании переходных процессов делается ряд общепринятых допущений, которые позволяют вместо реальной электрической машины рассматривать некоторую идеализированную.

Однако указанные допущения не всегда могут быть приняты.

Аналитические исследования можно упростить за счет следующих дополнительных допущений: 1) основная сеть постоянного или переменного тока, связанная с машиной, является сетью бесконечной мощности; 2) переменные напряжения, приложенные к зажимам обмоток, синусоидальны, а постоянные — неизменны.

В тех случаях, когда это допущение неприемлемо, приложенные напряжения представляются в виде ряда составляющих и исследования производятся для каждой составляющей напряжения в отдельности с последующим применением принципа наложения; 3) при наличии в цепи токов нулевой последовательности их действие исследуют с помощью самостоятельной системы уравнений.

При принятых ранее допущениях токи нулевой последовательности не влияют на результирующие потокосцепления и на момент вращения машины.

Указанные допущения применяются в том случае, когда при исследовании переходных процессов используется теорема о постоянстве потокосцеплений обмоток.

Ввиду сложности явлений, сопровождающих ВКЗ, рассмотрим физическую картину процесса при некоторых допущениях.

Это допущение не вносит существенной погрешности в результаты расчета, так как активное сопротивление обмоток СГ обычно очень мало по сравнению с индуктивным.

Очевидно, что картина результирующего тока от принятого допущения не изменяется.

Средний момент вращения при принятых допущениях

Так как при принятых допущениях ток в сердечнике ротора отсутствует (сердечник ротора выполнен шихтованным), то возникновение момента Л4ср объясняется лишь деформацией магнитного потока из-за явнополюсности ротора и наличием активного сопротивления обмотки статора.

С учетом принятых допущений электромагнитный момент вращения

Кривая затухающей апериодической составляющей тока ВКЗ, построенная в полулогарифмической сетке координат, также с большими допущениями аппроксимируется одной прямой.

Допущение постоянства частоты вращения ротора вполне приемлемо, например, при определении максимальных (ударных) значений переходных токов и моментов, особенно в электроприводах с большим моментом инерции вращающихся масс, когда за отрезок времени до установления максимальных значений тока и момента частота вращения ротора изменяется незначительно.

Согласно принятым допущениям, момент и скольжение положительны в режиме двигателя.

76) получено при допущении, что средний электромагнитный момент уравновешивает момент сопротивления, а реактивный момент равен нулю.

1) возможно только численными методами, приближенное — путем аппроксимации действительной зависимости сопротивления щеточного контакта от плотности тока какой-либо простой зависимостью, причем точность приближения во многом зависит от принятых допущений.

В настоящее время имеются следующие теории коммутации: 1) классическая; 2) на основе допущения Л?

Общие допущения для этих теорий: 1) полное механическое совершенство щеток и коллектора при любых частотах вращения; 2) толщина изоляционной прокладки между коллекторными пластинами бесконечно мала.

Основное допущение, вытекающее из гипотезы и положенное в основу классической теории коммутации, следующее: постоянство удельного сопротивления щеточного контакта и независимость его от плотности тока, т.

Арнольдом, является допущение: удельное сопротивление щеточного контакта считается постоянным независимо от плотности тока в контакте и от контактной поверхности.

Аппроксимация вольтамперной характеристики щеточногоконтакта функцией, соответствующей допущению гщ = constклассической теории коммутации состоит в том, что на ее базе проводится расчет дополнительных полюсов, дающий результаты, близкие к действительности.

5) относительно тока в коммутируемой секции, при допущении Rc = 0 получим »' = ia (ri - rJ'bi + г,) + (ev ± ек)/(г.

Принятое в классической теории допущение гщ = const может привести к неправильному представлению процессов в коммутирующей секции.

Теория коммутации на основе допущения постоянства падения напряжения в щеточном контакте

Вегнер провел многочисленные эксперименты по определению динамических вольт-амперных характеристик щеток (типа ЭГ-73 и ЭГ-74 [9]) и пришел к выводу, что эти характеристики не соответствуют классическому допущению постоянства удельного сопротивления щеточного контакта, а гораздо больше соответствуют допущению постоянства падели.

Такое допущение приемлемо, так как плотность тока под щеткой в существующих электрических машинах достигает 10 А/см2 и более

Считая нормально ускоренную коммутацию наилучшей, оптимальной, для набегающего края щетки принимаем допущение А?

Эти допущения физически оправданы, так как при ускоренной

1) коммутируемого контура, учитывая эти допущения, а также /2 = i -f- ia, запишем в виде

Аналитические исследования коммутации при Ьш > Ьк, как правило, проводятся со значительными допущениями при учете взаимоиндуктивных связей между коммутируемыми секциями.

Принимаем следующие допущения: длина машины бесконечно велика по сравнению с воздушным зазором и магнитное поле — плоскопараллельное; процессы, связанные с образованием магнитного поля в зазоре машины, не рассматриваем, задавая относительные значения потенциалов поверхностей, ограничивающих рассматриваемую область магнитного поля; статор и ротор неподвижны относительно друг друга; пренебрегаем кривизной и зубчатостью поверхности статора, краевыми эффектами на торцах машины, насыщением железа магнито-провода.

Следовательно, принимаемое на практике при расчете проводимости рассеяния пазовой части обмотки допущение о прямолинейности силовых линий поля рассеяния справедливо.

Полученное при этих допущениях значение индукции под полюсом будет соответствовать индукции Bf, создаваемой реальным потоком при зубчатом якоре.

Расчеты показывают, что это допущение не вносит существенных погрешностей, если высота полюса больше 0,7—0,8 ширины межполюсного пространства.

Примем допущения: магнитная проницаемость стали ярма и зубцов бесконечно велика; силовые линии магнитного поля нормальны к боковым стенкам и параллельны дну паза; магнитное поле за линию cd (рис.

Принятые допущения позволяют ограничиться расчетом одномерного магнитного поля, изменяющегося только по координате у: я

Тем самым исключаются обычно принимаемые допущения.

Если не принять упрощающих допущений, решать их можно только численными методами.

Выбор того или иного метода решения зависит от постановки задачи и точности, с которой должен быть получен результат исследований, а также от допущений, которые принимаются при составлении уравнений.

Основные допущения, принимаемые при математическом исследовании электрических машин.

Теория коммутации на основе допущения постоянства падения напряжения в щеточном контакте.

При таком допущении решение системы уравнений (4.

Однако в некоторых частных случаях эту систему можно свести к линейной рядом допущений.

Сделанные допущения обеспечивают достаточную точность решения.

Применение вычислительных машин дает возможность без существенных упрощений и допущений интегрировать нелинейные дифференциальные уравнения.

28. Первая из трех величин, характеризующих переменный ток, – его амплитудное значение I_ампл. Оно равно максимальному мгновенному значению тока за период его изменения. Как ни странно, с точки зрения воздействия тока разной формы на различные нагрузки, амплитуда тока наименее информативна. Вот почему значение переменного тока определяют сравнением его действия с действием постоянного тока.

Среднее значение переменного тока – это значение такого постоянного тока, который переносит такой же заряд электричества за тот же промежуток времени, что и переменный ток. Для переменного тока, форма которого симметрична относительно оси времени (например, синусоидальный сигнал) среднее значение тока равно нулю. Поэтому обычно под средним значением понимают средневыпрямленное, т. е. среднее значение тока после его выпрямления. Среднее значение тока характеризует его действие, например, при зарядке аккумулятора. Формула для расчёта выглядит так:

Эффективное значение переменного тока – это значение постоянного тока, который, проходя через активную линейную нагрузку (скажем, резистор), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество тепла, какое выделит в этой нагрузке переменный ток. Именно эффективное значение тока важно применительно к нагревательным приборам. Современный синоним – среднеквадратичное значение (I_RMS), часто используют также термин «действующее значение». Формула для расчёта этой величины:

Графически среднее значение переменного тока – это площадь под кривой, характеризующей зависимость тока от времени. Эффективное значение соответствует квадратному корню из площади под кривой, описывающей зависимость квадрата тока от времени.

Для характеристики формы периодических сигналов введены два параметра: коэффициент амплитуды k_а=I_ампл/I_эфф (синоним – крест-фактор) и коэффициент формы k_ф=I_эфф/I_{ср.выпр} (синоним – форм-фактор).

При наиболее распространенной форме сигнала – синусоидальной – рассмотренные значения составляют: