Асинхронный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель конструктивно состоит из двух элементов – неподвижного статора и вращающегося – ротора. В пазах внутренней стороны статора и внешней стороны ротора укладывается медная токопроводящая обмотка (см. рис. 1.11). Принцип работы двигателя может быть пояснен на примере простейшей трехфазной машины, обмотка каждой фазы которой имеет по одному витку. Питание двигателя осуществляется системой трехфазного напряжения, создающего в обмотках статора трехфазный ток (рис. 1.12).

Рассмотрим три момента времени:

- при , токи , ;

- при , токи , , ;

- при , токи , , .

Токи проводников обмотки статора создают магнитный поток (рис. 1.13). В момент времени t₁ вектор суммарного магнитного потока направлен по оси фазы А, в момент времени t₂ – между осями фаз А и С, а в момент времени t₃ – по оси фазы С, и т.д. Таким образом, обмотка статора создает вращающееся в направлении чередования фаз А, В и С магнитное поле.

Скорость вращения поля статора

, , (1.38)

где f – частота тока статора, p – число пар полюсов (для рассматриваемого случая p = 1).

Вращающийся магнитный поток, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них э.д.с. и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи. В этом случае трехфазная обмотка ротора также создает вращающийся магнитный поток, скорость которого при неподвижном роторе () равна скорости вращения потока статора

. (1.39)

При этом потоки статора и ротора вращаются синхронно и образуют общий вращающийся магнитный поток машины.

Рис. 1.13. Магнитное поле простейшей обмотки статора

асинхронного двигателя

 

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F (правило “левой руки”) и вращающийся электромагнитный момент М. Если этот момент больше статического момента, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью .

Уравнения механической и электромеханической характеристик асинхронного двигателя имеют вид

, (1.40)

, (1.41)

где – сопротивление обмотки статора; – сопротивление обмотки ротора, приведенного к статору

;

– номинальное значение линейного напряжения на статоре; – э.д.с. на обмотке заторможенного ротора (паспортная характеристика двигателя); – индуктивное сопротивление короткого замыкания

;

– индуктивное сопротивление обмотки статора; – индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведенного к статору; s – скольжение, параметр характеризующий относительную разность скоростей вращения поля и ротора

. (1.42)

На рис. 1.14 приведены механическая и электромеханическая характеристики асинхронного двигателя. Электродвигатели мехатронных модулей работают, как правило, на прямолинейном (выделенном на рис. 1.14) участке, имеющим название рабочего участка. Регулирование скорости таких двигателей осуществляется изменением частоты питающего обмотки статора напряжения. Действительно, согласно выражению (1.40) электромагнитный момент М асинхронного двигателя находится в обратно-пропорциональной зависимости от f.

Рис. 1.14. Естественные механическая (а) и электромеханическая (б) характеристики асинхронного двигателя

 

Рис. 1.15 иллюстрирует искусственные механические характеристики при изменении частоты питающего напряжения при различных законах изменения его амплитуды. Каждый из законов применяется для определенного характера изменения статического момента. Если момент сил сопротивления имеет гиперболическую зависимость , то целесообразнее величину питающего напряжения поддерживать неизменной (рис. 1.15, а). При независящем от скорости следует использовать закон (рис. 1.15, б). В случае работы двигателя в вентиляторных установках и насосах, где необходимо закладывать закон регулирования (рис. 1.15, в).

Рис. 1.15. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты питающего напряжения:

а – при ; б – при ; в – при

 

 

Синхронный двигатель

Синхронным двигателем называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, на одну из обмоток которой подается переменное напряжение частотой f, а на другую – постоянное напряжение. Статор (неподвижная часть) синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Подвижная часть, состоящая из сердечника с уложенной в нем токопроводящей обмоткой, носит название якоря. Конструкция якоря синхронной машины может быть как явнополюсная (рис. 1.16, а), так и неявнополюсная (рис. 1.16, б).

Как и в асинхронном двигателе, обмотка статора синхронной машины создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки якоря возникает электромагнитный момент, под действием которого якорь и приводится во вращение.

Механические характеристики синхронного двигателя приведены на рис. 1.17. Вращение якоря происходит синхронно со скоростью вращения потока статора во всем диапазоне допустимых нагрузок на валу двигателя

, . (1.43)

С учетом, что , уравнение механической характеристики синхронного двигателя имеет вид

. (1.44)

Благодаря именно этому факту машина и получила название синхронного двигателя.

Регулирование скорости синхронного двигателя также как и асинхронного осуществляют путем изменения частоты питающего обмотки статора напряжения. Чем ниже частота, тем меньше скорость вращения якоря.