Теоретичні положення. Принцип дії асинхронної машини

Принцип дії асинхронної машини. Асинхронною машиною (АМ) називається електромеханічний перетворювач, в якому відбувається|походить| перетворення енергії при швидкостях обертання ротора, відмінних|інших| від швидкості обертання магнітного поля в повітряному зазорі машини [4–6].

Залежно від конструктивного виконання ротора асинхронні машини підрозділяються на машини з|із| короткозамкненою роторною обмоткою, з|із| фазною обмоткою ротора і з|із| масивним феромагнітним ротором.

Асинхронні машини можуть виконуватися у вигляді однофазних, двофазних і трифазних машин.

В однофазних машинах обмотка статора створює в повітряному зазорі нерухоме в просторі і пульсуюче в часі за синусоїдальним законом магнітне поле. З цієї причини асинхронні машини не мають пускового моменту, і для пуску їх необхідно застосовувати додаткові конструктивні засоби|кошти|.

У двофазних і трифазних асинхронних машинах обмотка статора створює в повітряному зазорі обертове магнітне поле. Умовами створення|створіння| обертового поля є|з'являються,являються| наявність просторового зсуву осей фаз обмоток при виготовленні обмоток і живлення|харчування| цих обмоток системою змінних струмів|токів| з|із| часовим зсувом фаз. В АМ| з|із| короткозамкненим або фазним ротором обертове магнітне поле наводить на провідниках роторної обмотки ЕРС|, під дією яких в роторній обмотці починає|розпочинає,зачинає| протікати змінний струм|тік|.

Взаємодія магнітного поля із|із| струмами|токами| ротора обумовлює| появу електромагнітних сил, рознесених від осі обертання і спрямованих у напрямі обертання магнітного поля. Під дією цих сил виникає електромагнітний момент, який примушує|заставляє| ротор обертатися у напрямі магнітного поля. Різниця швидкостей обертання магнітного поля і ротора оцінюється безрозмірною величиною ковзання ротора s = (w₀ – w)/w₀, де w₀ – швидкість обертання магнітного поля, а
w – швидкість обертання ротора. Частота змінних ЕРС| та струмів|токів| ротора визначається величиною| ковзання f ₂ = f ₁ s, де f ₁ і f ₂ – частоти змінних струмів|токів| статорної і роторної обмоток АМ| відповідно.

Швидкість обертання магнітного поля в повітряному зазорі АМ| однозначно визначається частотою мережі живлення|сіті| і числом пар полюсів машини р _п: w₀ = (2p f ₁) / р _{п |}.

Змінні струми|токи| роторної обмотки також створюють обертове магнітне поле, яке при позитивній величині ковзання w₀ > w обертається відносно ротора у напрямі обертання ротора. Якщо ж ковзання негативне|заперечне| w > w₀, то це поле обертається проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора. Швидкість обертання поля струмів|токів| ротора w_п2 визначається співвідношенням

.

У свою чергу швидкість обертання ротора залежно від величини ковзання визначається як w = w₀(1– s).

Таким чином, результуюча величина швидкості обертання магнітного поля ротора в повітряному зазорі

w_пр| = w + w_п2 = w₀(1– s) + w₀ s = w₀,

тобто обертові магнітні поля струмів|токів| статора і ротора в повітряному зазорі нерухомі одне відносно одного. Це є|з'являється,являється| умовою перетворення потужності в електромеханічному перетворювачі.

Залежно від величини і знаку ковзання режими роботи АМ| поділяються на режими двигуна, генератора і гальмування противключенням|. Під час роботи в режимі двигуна відбувається|походить| перетворення електричної потужності, споживаної з|із| мережі,|сіті| в механічну потужність на валу АМ|.

У цьому режимі роботи величина ковзання змінюється в діапазоні 0 < s £ 1,0, тобто швидкість обертання ротора змінюється від нуля (s = 1,0) до швидкості, близької до швидкості обертання поля w₀ (s ® 0). Електромагнітний момент спрямований у бік обертання ротора і є|з'являється,являється| причиною цього обертання.

У генераторному режимі роботи w > w₀ (ковзання негативне|заперечний|) АМ| перетворює механічну потужність, що підводиться до валу зовнішнім двигуном, в активну електричну потужність, що віддається в електричну мережу|сіть|. У той же час АМ| споживає з|із| мережі|сіті| реактивну потужність, необхідну для створення|створіння| магнітного поля в ній. Електромагнітний момент АМ| в генераторному режимі роботи є|з'являється,являється| гальмівним|гальмовим| і спрямований проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора.

У режимі гальмування противключенням| ротор АМ| за рахунок джерела зовнішніх сил обертається проти|супроти| напряму|направлення| обертання магнітного поля, тобто до АМ| одночасно підводиться електрична потужність з|із| мережі|сіті| і механічна потужність до її валу. Обидві ці складові потужності розсіюються в АМ| у вигляді втрат ковзання, створюючи значний гальмівний|гальмовий| момент, направлений|спрямований| проти|супроти| напряму|направлення| обертання ротора. Ковзання ротора АМ| в цьому режимі щодо|відносно| магнітного поля більше одиниці s = (w₀+w) / w₀ > 1,0.

В процесі перетворення енергії в асинхронному| двигуні (АД) мають місце співвідношення між електромагнітною Р _ем, споживаною Р ₁ і механічною Р _мех потужностямита втратами ковзання D р _к:

Р _ем = М _емw₀ = Р ₁– D р _м1 – D р _ст1;

Р _мех = М _емw = Р _ем (1– s);

D р _к = Р _ем – Р _мех = Р _ем s.

Основні співвідношення схеми заміщення АД. Рівняння рівноваги напруг|напружень| статорного контуру АД і рівняння балансу МРС| подібні відповідним рівнянням трансформатора. Рівняння рівноваги напруг|напружень| роторного контуру АД враховує вплив величини ковзання на величини ЕРС| і індуктивного опору розсіяння ротора. З врахуванням цієї обставини рівняння АД з|із| обертовим ротором має вид:

;

;

.

Після приведення параметрів ротора до кількості фаз і витків ста­торної обмотки, і до частоти струмів|токів| статора, рівняння АД матимуть вигляд|вид|

;

;

;

.

Рис. 12.1

Цим рівнянням відповідає Т-подібна схема заміщення (рис. 12.1). У цій схемі заміщення активний опір роторного контуру розділений на два опори r¢ ₂ і . Втрати енергії на опорі r¢ ₂ від струму|току| відповідають втратам в міді ротора (втратам ковзання), а втрати на опорі – механічній потужності на валу АД. Опір контуру намагнічування дорівнює Z ₀ = r ₀ + jx ₀. Якщо знехтувати втратами в сталі статора АД, то Z ₀ = jx ₀.

Для спрощення розрахунку режимів роботи АД використовують Г-подібну схему заміщення з|із| винесеним на затискачі мережі|сіті| контуром намагнічування (рис. 12.2). В цьому випадку І ₁= І¢ ₂ і , а момент АД визначається співвідношенням або .

Рис. 12.2

Залежність моменту АД від ковзання називається моментною| характеристикою.

Ковзання, при якому момент досягає максимального значення, називається кри­­тичним s _кр. Зна­чення ко­ефіцієнта с близько|поблизу| до одиниці, тому s _кр можна визначити за формулою

.

Величину максимального моменту АД визначають за формулою .

При збільшенні величини додаткового активного опору в колі фазного ротора величина критичного ковзання асинхронної машини буде збільшуватись (рис. 12.3), а величина максимального (критичного) моменту залишається незмінною [4–6].

Рис. 12.3

Величина пускового моменту машини також збільшується до тих пір, поки при деякій величині опору не досягне величини максимального моменту. Подальше збільшення величини опору в колі ротора буде призводити до зменшення величини пускового моменту.

Коефіцієнт корисної дії АМ| при роботи в режимах двигуна і генератора розраховують за співвідношеннями

.