Принцип действия асинхронного и синхронного электродвигателей

Н аиболее распространенным в промышленности типом двигателя переменного тока являются трехфазный асинхронный двигатель (АД) (рис. 4.31). Он состоит из неподвижной части – статора, представляющего собой цилиндр, изготовленный из отдельных листов электротехнической стали. В углублениях статора, называемых пазами и расположенных равномерно по всей его окружности, размещаются обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Подвижная часть – ротор представляет собой тоже цилиндр, расположенный внутри статора, он также изготовлен из отдельных листов электротехнической стали. В пазах ротора находятся стержни, которые либо замкнуты накоротко (АД с короткозамкнутым ротором), либо на внешнее сопротивление (АД с фазным ротором). Допустим, что вначале ротор неподвижен. Тогда вращающееся магнитное поле, пересекая проводники обмоток ротора, наводит в них ЭДС. Поскольку обмотки ротора замкнуты, то в них возникают токи, создающие магнитное поле ротора. Механическое взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем приводит к тому, что на ротор действует вращающий момент, и он начинает вращаться в ту же сторону что и магнитное поле статора (в этом можно убедиться с помощью правила левой руки). В установившемся режиме частота вращения ротора ω_р=(0,95 0,98)ω. Двигатель потому и называется асинхронным, что его ротор вращается несинхронно (асинхронно) с магнитным полем. На английском языке АД называется индукционным мотором, что указывает на его принцип действия (магнитное поле статора индуцирует в роторе токи, магнитное поле которых взаимодействует с полем статора). Причем ω_р принципиально не может равняться ω, т.к. в этом случае вращающееся магнитное поле не пересекало бы проводники обмоток ротора, в них не наводились бы ЭДС, не возникали токи и не создавался бы вращающий момент. Если увеличивать нагрузку двигателя, то ротор будет вращаться медленнее, наводимые в обмотках ротора ЭДС и токи увеличатся, а значит возрастет и вращающий момент. Правда возрастание вращающего момента возможно только до определенного предела, называемого критическим, при превышении которого двигатель останавливается (опрокидывается). Частота тока в роторе равна разности частот вращения поля статора и самого ротора (ω – ω_р). Поле ротора обгоняет сам ротор именно на эту разность частот, в результате чего оказывается, что поля статора и ротора вращаются синхронно.

Синхронный двигатель отличается от асинхронного только ротором, а именно: по обмоткам ротора пропускают постоянный ток, который создает постоянный же магнитный поток, который «сцепляется» с магнитным полем статора и заставляет ротор вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем.

Основы анализа и расчета несимметричных трехфазных цепей методом симметричных составляющих

Разложение несимметричных трехфазных систем на симметричные составляющие (задача 4.26 /5/)

Метод симметричных составляющих широко применяется для анализа и расчета несимметричных режимов трехфазных систем. Он основан на представлении любой несимметричной системы величин (ЭДС, токов, напряжений, магнитных потоков) в виде суммы в общем случае трех симметричных систем, называемых симметричными составляющими. Симметричные составляющие отличаются друг от друга порядком следования фаз и называются системами прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Обозначим некоторую несимметричную систему векторных величин буквами A, B, C. Величины, относящиеся к системам прямой, обратной и нулевой последовательностей, отметим индексами 1, 2 и 0, соответственно. На рис. 4.32 изображены векторные диаграммы симметричных составляющих трех последовательностей.

В ведем понятие фазного множителя a = e^j120°. Очевидно, что

a² = e^j240° = e^-j120° ; a³ = 1; a⁴ = a;

1 + a + a² = 0.

Выразим симметричные составляющие векторных величин A, B, C аналитически:

A₀; A₁; A₂;

B₀ = A₀; B₁ = A₁·e^-j120° = a²·A₁; B₂ = A₂·e^j120° = a·A₂;

C₀ = A₀; C₁ = A₁·e^j120° = a·A₁; C₂ = A₂·e^-j120° = a²·A₂.

Покажем, что любую несимметричную систему векторных величин A, B, C можно представить тремя симметричными системами прямой, обратной и нулевой последовательностей. Доказательство будем вести от противного. Допустим, что несимметричная система уже разложена на симметричные составляющие. Тогда

A = A₀ + A₁ + A₂;

B = B₀ + B₁ + B₂ = A₀ + a²·A₁ + a·A₂;

C = C₀ + C₁ + C₂ = A₀ + a·A₁ + a²·A₂.

Если сложим три уравнения системы, то получим

A + B + C = A₀ + A₁ + A₂ + A₀ + a²A₁ + aA₂ + A₀ + aA₁ + a²A₂ =

= 3A₀ + A₁(1 + a + a²) + A₂(1 + a + a²) = 3A₀,

откуда следует A₀ = ⅓(A + B + C); B₀ = A₀; C₀ = A₀.

Для определения симметричных составляющих прямой последовательности надо второе уравнения системы умножить на а, а третье – на a² и затем сложить все три уравнения. Мы получим

A₁ = ⅓(A + a·B + a²·C); B₁ = a²·A₁; C₁ = a·A₁.

Для определения симметричных составляющих обратной последовательности надо второе уравнение системы умножить на а², а третье – на a и затем сложить все три уравнения. Мы получим

A₂ = ⅓(A + a²·B + a·C); B₂ = a·A₂; C₂ = a²·A₂.

Симметричность трехфазной системы характеризуется коэффициентом асимметрии –  = U_AB2/U_AB1. Если коэффициент асимметрии не превышает 5%, то 3-фазная система напряжений считается практически симметричной.