Асинхронный двигатель имеет неподвижную
часть, именуемую статором
, и вращающуюся
часть, называемую ротором
. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.
Пространственная значимость в индукционных двигателях с клеткой белка с ротором. Пространственные раздражители в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Антонио Замаррон Рамирес и Саломон Родригес Каррера. Департамент инженерии, Университет Де Ла Салле Баджио, Леон, Гуанахуато.
В этой статье мы представляем некоторые пространственные слои, которые обычно появляются в стандартных асинхронных двигателях с ротором короткозамкнутого ротора. Для измерения и определения относительной величины пространственных выступов, связанных с обмотками индукционного двигателя, используется метод впрыскивания высокочастотного несущего сигнала в двигатель.
. (12.2)
Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом М эм = М 2 .
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n 2 приблизительно равна синхронной частоте n 1 . Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n 2 > n 1 . Скольжение асинхронного генератора 
.
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f 1 и числом пар полюсов статора. При частоте f 1 = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.
В этой статье представлены некоторые пространственные зазоры, обнаруженные в стандартных асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Используется методика измерения и определения величины зазоров в индукционных машинах путем введения сбалансированного трехфазного высокочастотного несущего сигнала.
Асинхронные двигатели спроектированы так, что они не выступают, то есть симметричны, но из-за их конструктивных характеристик они имеют выступы. Проекции влияют на поведение асинхронного двигателя по-разному: они создают гармоники в потоке воздушного зазора, радиальные составляющие которого вызывают потери, пульсацию напряжения и крутящего момента, вибрации и электромагнитный шум среди других. Но навески также могут быть полезны, поскольку они могут предоставлять информацию о том, что происходит внутри машины, например, о конкретных аспектах насыщения, эксцентриситете ротора, коротком замыкании в витках обмотки статора и об ошибках ротора и температуре между другие.
| P | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| n 1 , об/мин | 3 000 | 1500 | 1000 | 750 |
На ротор и полюсы статора действуют электромагнитные вращающие
моменты, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны.
Мощность, необходимая для вращения статорных полюсов с синхронной частотой,
,
Некоторые из этих прогнозов используются для оценки параметров и реализации исполнительных механизмов в ориентированном полевом управлении. Вследствие стандартного асинхронного двигателя может быть обеспечен эксцентриситет ротора, канавка ротора и статора. Первые два имеют механические характеристики и последние магнитные характеристики. В дополнение к этим выступам также возможно иметь в асинхронном двигателе детерминированный выступ, который может быть создан путем модуляции ширины отверстий в гнездах ротора или путем изменения сопротивления стержней ротора.
Где - угловая скорость.
Механическая мощность, развиваемая ротором,
Где 
- угловая скорость ротора.
Разность мощностей
Где Р Э2 - электрические потери в роторной обмотке;
m 2 - число фаз обмотки ротора;
R 2 - активное сопротивление обмотки ротора;
I 2 - ток ротора.
Высокочастотный несущий сигнал. Заметим, что несущий сигнал накладывается на основное возбуждение. Когда машина с выступом возбуждается с высокочастотным сигналом напряжения несущей, то ток несущей индуцируется в двигателе, равном. = - величина тока несущей положительной последовательности.
= - величина тока несущей отрицательной последовательности. Как видно, ток несущей может быть разложен на ток положительной последовательности и ток обратной последовательности. Ток положительной последовательности пропорционален среднему переходному индуктору статора и вращается в том же направлении, что и сигнал высокочастотного несущего напряжения. Этот текущий компонент не содержит пространственную информацию о проекциях, присутствующих в машине. С другой стороны, ток отрицательной последовательности пропорционален дифференциальному переходному индуктору статора, вращается в обратном направлении к высокочастотному сигналу несущего напряжения и содержит пространственную информацию выступов в своей фазе.
Откуда
(12.7).
.
Где , КТ - коэффициент трансформации двигателя с заторможенным ротором.
(12.8).
Спиновые индуцированные гармоники. Пространственные проекции производят изменения проницаемости в воздушном зазоре, роторе и статоре. Если высокочастотный сбалансированный трехфазный вектор напряжения, наложенный на основное возбуждение, вводится в обмотки двигателя, изменения в проницаемости будут приводить к модуляции высокочастотного тока, индуцированного в обмотках статора. Этот высокочастотный ток несущей может быть разложен, как упоминалось в предыдущем разделе, на ток несущей положительной последовательности и ток несущей обратной последовательности.
Где 
- константа.
На рис. 12.5 изображена зависимость электромагнитного момента от скольжения в виде сплошной линии.
Пусть исполнительный механизм, приводимый во вращение данным двигателем, создает противодействующий тормозной момент М2.
На рис.12.5 имеются две точки, для которых справедливо равенство М эм = М 2
;
это точки а
и в
.
В точке а
двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие М эм = М 2
;.
В точке в
работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку а
.
Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть - областью неустойчивой работы. Точка б
, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы.
Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение S k
. Скольжению S = 1
соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М 2
больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным.
Максимальный момент найдем следующим образом. Сначала определим значение критического скольжения, при котором функция М эм
будет максимальной. Для этого первую производную функции по скольжению S
от выражения (12.8) приравняем нулю.
Из этих двух компонентов ток несущей обратной последовательности является тем, который содержит информацию о проекциях, связанных с обмотками машины. Такая информация может быть получена путем применения быстрого преобразования Фурье к току несущей обратной последовательности. Из-за количества прорези ротора, имеющегося у этого двигателя, прорезь прорези не появляется.
Гармоники можно классифицировать следующим образом. Одна из этих асимметрий может исходить из коротких оборотов в обмотке статора. Этот свес может быть создан путем модуляции отверстий в гнездах ротора или путем изменения сопротивления стержней ротора. Эти гармоники находятся в токе несущей обратной последовательности, определяемом координатами отрицательной последовательности.
Откуда
Подставив значение критического скольжения в формулу (12.8) , получим
. (12.10)
Из формул (12.8), (12.9), (12.10) видно:
Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n 2 = f (M 2). Механическую характеристику получают при условии U 1 - const, f 1 - const. Механическая характеристика двигателя является зависимостью вращающего момента от скольжения, построенной в другом масштабе. На рис. 12.6 изображена типичная механическая характеристика асинхронного двигателя. Результирующий, или основной, магнитный поток в воздушном зазоре машины в пусковом режиме, а также ЭДС в статоре и роторе Е 1 и Е 2 значительно уменьшаются. Это приводит к уменьшению пускового момента двигателя и к резкому возрастанию пускового тока.
- величина максимального вращающего момента не зависит от активного сопротивления цепи ротора;
- с увеличением активного сопротивления цепи ротора максимальный вращающий момент, не изменяясь по величине, смещается в область больших скольжений (см. кривая 1 рис. 12,5);
- вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.
. (12.11)
Остальные гармоники, возможно, возникают из-за того, что нагрузка насыщения не имеет синусоидального пространственного распределения и поэтому содержит дополнительные пространственные гармоники, в частности гармонические пары. Гармоники также могут быть результатом перекрытия гармоник, создаваемых насыщением, и эффектов, вызванных нелинейностью инвертора. Наконец, взаимодействие нависания ротора с индуцированными насыщением выпячиваниями порождает ряд дополнительных гармоник, определяемых.
Почувствие эксцентриситета. Эксцентриситет ротора обусловлен ошибками конструкции, сбором двигателя, корпусом подшипника и магнитными дисбалансами. В общем, эксцентриситет не является детерминированным, если только не возникает проблема изготовления, или эксцентриситет сознательно создается по дизайну.
Из формулы (12.11) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:
Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
- изменением частоты питающего напряжения;
- изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;
- изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения от S a к S г (см. рис. 12.5), а, следовательно, и к уменьшению частоты вращения двигателя.
Однофазный двигатель имеет одну обмотку, расположенную на статоре. Однофазная обмотка, питаемая переменным током, создаст пульсирующее магнитное поле. Поместим в это поле ротор с короткозамкнутой обмоткой. Ротор вращаться не будет. Если раскрутить ротор сторонней механической силой в любую сторону, двигатель будет устойчиво работать.
Объяснить это можно следующим образом.
Пульсирующее магнитное поле можно заменить двумя магнитными полями,
вращающимися в противоположных направлениях с синхронной частотой n 1 и имеющими амплитуды магнитных потоков, равные половине амплитуды магнитного потока пульсирующего поля. Одно из магнитных полей называется прямовращающимся, другое - обратновращающимся. Каждое из магнитных полей индуктирует в роторной обмотке вихревые токи. При взаимодействии вихревых токов с магнитными полями образуются вращающие моменты, направленные встречно друг другу.
На рис. 12.7 изображены зависимости момента от прямого поля М", момента от
обратного поля М" и результирующего момента М в функции скольжения М = М" - M".
Эксцентриситеты ротора можно разделить на два типа в зависимости от того, как они проявляются. Первый тип, называемый статическим эксцентриситетом, возникает, когда геометрические центры ротора и статора не совпадают в одной и той же точке, и ротор вращается относительно своего собственного геометрического центра. Второй тип, называемый динамическим эксцентриситетом, возникает, когда геометрические центры ротора и статора не совпадают в одной точке, а ротор вращается относительно геометрического центра статора.
Грохотный босс. Пространственное слюноотделение путем канавки производится изменением проницаемости в воздушном зазоре, создаваемом канавкой статора и ротора. Это изменение проницаемости взаимодействует с распределением обмоток статора, что приводит к изменению индуктивности. Если двигатель имеет канавки в роторе или статоре, изменение проницаемости воздушного зазора, которое создается, имеет малую или большую пространственную гармонику относительно полярного прохождения машины. Эта пространственная гармоника обычно не создает значительного пространственного изменения индуктивности обмоток машины.
Оси скольжений направлены встречно друг другу.
В пусковом режиме на ротор действуют вращающие моменты, одинаковые по величине и противоположные по направлению.
Раскрутим ротор сторонней силой в направлении прямовращающегося магнитного поля. Появится избыточный (результирующий) вращающий момент, разгоняющий ротор до скорости, близкой к синхронной. При этом скольжение двигателя относительно прямовращающегося магнитного поля
Когда двигатель имеет канавки в роторе и статоре, изменение индуктивности становится значительным, вероятно, потому, что период больше, чем у роторов или канавок статора. Понимание насыщением. Одним из признаков, присущих асинхронному двигателю, является насыщение. Этот свес может происходить из-за низких уровней расхода и возрастает по мере увеличения потока и нагрузки двигателя.
Тип гнезда ротора. Эффекты насыщения обычно связаны с потоком, создаваемым током намагничивания, и потоком дисперсии точки, создаваемым током слота. Обе формы насыщения можно найти как в статоре, так и в роторе и создать модуляцию дисперсионной индуктивности, которая способна модулировать индуктивность переходного статора. На степень насыщения из-за основного потока или потока дисперсии влияет слот ротора, то есть, является ли щель открытой, полузакрытой или закрытой.
.
Скольжение двигателя относительно обратновращающегося магнитного поля
.
Рассматривая результирующую характеристику, можно сделать следующие выводы:
1. Однофазный двигатель не имеет пускового момента. Он будет вращаться в ту сторону, в которую раскручен внешней силой.Для создания пускового момента однофазные двигатели снабжают пусковой обмоткой, пространственно смещенной относительно основной, рабочей обмотки на 90 o . Пусковая обмотка подключается к сети через фазосдвигающие элементы: конденсатор или активное сопротивление.
2. Из-за тормозного действия обратновращающегося поля характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного.
Влияние наклона стержней ротора. Наклонение роторных стержней в асинхронном двигателе приводит к значительному уменьшению выступов путем канавки. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты с несколькими асинхронными двигателями, спроектированными с различным наклоном в гнездах ротора и разным типом обмотки в статоре. Из этих результатов можно заметить, что наклон роторных стержней оказывает сильное влияние на величину канавки путем канавки. Например, двигатель с прямолинейными канавками в роторе может представлять величину гармоники путем канавки в шесть раз больше, чем тот же двигатель с наклонными стержнями в роторе.
В схеме на рис. 12.9а статорные обмотки соединены звездой.
В схеме на рис. 12.9б статорные обмотки соединены треугольником. Величина емкости С ≈ 60 мкф на 1 кВт мощности.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающихся магнитных полей и основных законов электротехники.
Однако факт наклона роторных стержней за пределы канавки статора не обязательно приводит к дополнительному уменьшению гармоники канавки. Из экспериментальных результатов в нем видно, что нет заметной разницы в величине этой гармоники между наклоном стержней 2 или 8 слотов статора.
Другой характеристикой двигателя, воздействующим на величину гармоники пазов, является тип обмотки, или, более конкретно, коэффициент обмотки. Сравнивая коэффициент обмотки дробной обмотки основного тона и обмотку полного шага, можно определить, что пятая гармоника этого коэффициента в 7 раз больше в полном шаге.
При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется постоянное по величине, но вращающееся в пространстве магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки обмоток ротора. При этом согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.
Детерминированность. Помимо выступов, присущих стандартным асинхронным двигателям, можно детерминированным способом создать выступ, который не зависит от условий работы машины или комбинации роторов и статорных пазов. Свес может быть создан путем создания отверстий на мостах ротора с закрытыми прорезями. Ширина отверстий модулируется таким образом, чтобы они соответствовали шаблону как можно более синусоидальному. Эта модуляция создает вариацию потока дисперсии ротора, создавая зависящее от ротора положение.
Другим способом создания реле зависимости от положения ротора является круговое изменение сопротивления стержней ротора. Путь, выполняемый отрицательной последовательностью несущей, при рабочих условиях машины, обозначенной в нижней части того же рисунка, является круглым, поскольку в этих условиях присутствует только гармоника путем канавки. Если к двигателю было применено фундаментальное возбуждение в сочетании с сигналом несущей, путь несущей отрицательной последовательности перестанет быть циркулярным, главным образом, из-за наличия гармоник, вызванных насыщением.
В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т.е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.
Величина гармоники зависит от ширины отверстий, наклона прорези ротора, типа обмотки статора и величины напряжения несущего сигнала. В экспериментах высокочастотный сигнал вводится линейным инвертором. На рисунке 4 представлен ротор с модулированными апертурами вместе с графиком, показывающим ширину разреза каждой апертуры. Глубина разреза достаточна, чтобы обнажить верхнюю часть стержней вдоль ротора.
Можно видеть, что величина индуцированных насыщением выступов в двигателе с открытой канавкой заметно меньше, чем в двигателе с закрытой канавкой. Это происходит главным образом из-за того, что поток дисперсии и основной поток «видят» большую индуктивность в отверстии прорези в двигателе открытых щелей по сравнению с отверстиями закрытых пазов.
Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т.е. не синхронно с полем или асинхронно .
Для изменения направления вращения ротора асинхронного двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля, т.е. изменить порядок чередования фаз обмоток статора переключением любых двух из трех фазных проводов, питающих двигатель.
Частота вращения магнитного поля n 1 (синхронная частота вращения ) жестко зависит от частотыf 1 подводимого напряжения и количества пар полюсовp двигателя:n 1 = 60f 1 /p .
Из этого вытекает, что при принятой в России промышленной частоте питающего напряжения (f 1 = 50 Гц) наибольшее число оборотов магнитного поля оказывается равным 3000 об/мин приp = 1. При увеличении числа пар полюсов частота вращения магнитного поля уменьшается, а следовательно, снижается и частота вращения ротора. Приp = 2,n = 1500 об/мин и т.д.
Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор вращается с частотой, близкой к частоте вращения поля. При увеличении нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в витках его обмоток увеличиваются, что приводит к возрастанию вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.
Обозначим через n 2 частоту вращения ротора асинхронного двигателя, а черезn 1 частоту вращения магнитного поля. В предыдущем разделе было показано, чтоn 2 <n 1 .
Частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т.е. разность n 1 –n 2 , называютскольжением . Обычно скольжение выражают в долях частоты вращения поля и обозначают символомs :
s = (n 1 – n 2)/ n 1 .
Скольжение зависит от нагрузки на валу двигателя. При номинальной нагрузке его значение составляет около 0,05 у машин небольшой мощности и около 0,02 у мощных двигателей.
Из равенства, приведенного выше, легко найдем соотношение: n 2 =n 1 (1 – s ). И после простого преобразования получим выражение для частоты двигателя, удобное для дальнейших рассуждений:n 2 = 60f 1 (1 ‑ s )/p .
Поскольку при нормальном режиме работы двигателя скольжение невелико, частота вращения двигателя мало отличается от частоты вращения поля.
На практике скольжение часто выражается в процентах:
b = 100 (n 1 – n 2)/ n 1 .
У большинства асинхронных двигателей скольжение колеблется в интервале 2 –6 %.
Скольжение является одной из важнейших характеристик двигателя; через него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора.
При неподвижном (n 2 = 0) ротореs = 1. Таким скольжением обладает двигатель в момент пуска.
Как уже было отмечено, скольжение зависит от момента нагрузки на валу двигателя; следовательно, и частота вращения ротора зависит от тормозного момента на валу. Номинальное значение частоты вращения ротора n 2,ном, соответствующее расчетному значению нагрузкиМ н, частотыf 1,ном и напряжения сетиU 1,ном, указывается на заводском щитке, крепящемся на корпусе асинхронного двигателя.
