ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Многофазные асинхронные двигатели. Принцип действия многофазных асинхронных двигателей состоит в том, что при определенном сдвиге по фазе между многофазными токами в многофазных обмотках они создают вращающееся магнитное поле. Такие многофазные обмотки обычно располагают в пазах на внутренней поверхности статора, набранного из тонких кольцевых пластин, стянутых по оси.
В случае трехфазного переменного тока синхронная частота вращения N вращающегося поля равна
N (120f)/P (об/мин),
где f - частота переменного тока, а Р - число полюсов.
Ротор. Ротор многофазного асинхронного двигателя выполняется в виде шихтованного цилиндрического якоря, набранного из тонких кольцевых пластин с осевыми пазами. Существуют обмотки ротора двух видов: короткозамкнутая (типа "беличьей клетки") и фазная. Короткозамкнутая обмотка выполняется либо из медных стержней, заложенных в пазы и припаянных на концах к массивным торцевым кольцам, замыкающим их накоротко, либо из алюминиевых проводников в пазах и концевых колец, отлитых зацело непосредственно в сердечнике, помещенном в форму. Фазная обмотка состоит из отдельных обмоток для всех фаз, вложенных в пазы ротора, с выводами на токособирательные кольца. Щетки позволяют вводить в цепь ротора сопротивление для увеличения пускового момента, а иногда и для регулировки частоты вращения. Обычно статор - первичный элемент, к которому подводится питание, а ротор - вторичный, в котором наводятся токи.
Вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазными токами статора, наводит токи в проводниках ротора. Направление наведенных токов таково, что они, взаимодействуя с индуцирующим их полем, создают вращающий момент, действующий в направлении вращающегося магнитного поля. Таким образом, ротор вращается вслед за полем. Но он не может вращаться с той же частотой, так как тогда наведенные токи были бы равны нулю, а значит, отсутствовал бы вращающий момент. Поэтому неизбежно и необходимо "скольжение" ротора. Скольжение s определяется равенством
s (N - N2)/N,
где N2 - частота вращения ротора. Например, если синхронная частота вращения N четырехполюсного 60-Гц асинхронного двигателя равна 1800 об/мин, а частота вращения ротора - 1728 об/мин, скольжение равно s (1800 - 1728)/1800 0,04, т.е. 4%. Частота токов ротора равна sf, где f - частота токов в статоре. Например, в упомянутом двигателе частота токов в роторе равна 0,04?60 2,4 Гц.
Механическая характеристика. Когда вал ротора нагружается, возникает потребность в увеличении тока в проводниках ротора. Для этого должна увеличиться скорость пересечения магнитного потока статора, а, следовательно, с увеличением нагрузки должно увеличиваться скольжение ротора. Поскольку частота ротора возрастает с увеличением его скольжения, токи, наводимые в проводниках ротора, все больше и больше сдвигаются по фазе относительно магнитного потока, так что, пройдя через максимум, вращающий момент уменьшается.
Это показано на рис. 14. Максимальный вращающий момент изменяется пропорционально квадрату сетевого напряжения и обратно пропорционально величине реактивного сопротивления ротора при нулевой частоте вращения, а следовательно, обратно пропорционально величинам индуктивности ротора и частоты статора; он не зависит от активного сопротивления ротора. Кривая 1 относится к двигателю с короткозамкнутым ротором. Пусковой момент (при скольжении 100%), как правило, равен полному моменту нагрузки или больше его. Двигатель с короткозамкнутым ротором прост, механически надежен, обладает высоким КПД и широко применяется в приводах с постоянной частотой вращения в тех случаях, когда не требуются большие пусковые моменты. Кривая 2 показывает, как влияет на характеристику увеличение сопротивления ротора. Максимальный вращающий момент не изменяется, но максимум смещается в сторону увеличения скольжения и, следовательно, уменьшения частоты вращения. Сделав сопротивление цепи ротора равным ее реактивному сопротивлению в отсутствие вращения, можно получить максимальный вращающий момент при пуске (кривая 3). Чтобы можно было вводить сопротивление в цепь ротора, нужен ротор с фазной обмоткой, концы которой были бы выведены на токособирательные кольца коллектора. Тогда с помощью внешнего реостата, выполняющего роль пускателя или контроллера, можно ввести в цепь ротора сопротивление и получить максимальный вращающий момент при пуске. После разгона ротора это сопротивление можно отключить, и тогда двигатель может работать на характеристике 1 или 2. Сопротивление фазного ротора не может быть сделано столь же малым, как обычное сопротивление короткозамкнутого, так что при прочих равных условиях скольжение такого ротора больше.
Двигатель с последовательным возбуждением, в котором возбуждение максимально при пуске и уменьшается после его разгона до нормальной частоты вращения, обеспечивает большой вращающий момент.
Двигатели с фазными роторами используются в тех случаях, когда требуются большие пусковые моменты, например, в электровозах и подъемниках, а также тогда, когда желательно регулирование частоты вращения.
Применение в качестве генератора. Если асинхронный двигатель приводится во вращение с частотой, превышающей синхронную, то скольжение становится отрицательным, направление токов, наводимых в роторе, меняется на обратное по сравнению с направлением в двигателе, и машина работает как генератор. Возбуждение обеспечивается исключительно линией переменного тока, причем ток возбуждения отстает по фазе от тока в режиме двигателя и опережает ток в режиме генератора. Выходное напряжение генератора приблизительно пропорционально скольжению ротора. Частота напряжения не зависит от частоты вращения ротора и полностью определяется частотой в линии, обеспечивающей возбуждение, так что генератор оправдывает свое название асинхронного. Генератор не может работать в режиме самовозбуждения и потому при эксплуатации нуждается в параллельном синхронном генераторе для питания цепи возбуждения.
В качестве энергоблока асинхронный генератор имеет много недостатков и редко применяется. Он может давать только опережающий ток, а, следовательно, синхронный генератор, работающий параллельно с ним, должен не только давать запаздывающие (реактивные) киловольт-амперы, необходимые для системы, но еще и обеспечивать возбуждение асинхронного генератора. Воздушный зазор асинхронного генератора мал, и при его проектировании приходится уделять много внимания снижению потерь в зубцах статора и ротора. Однако у асинхронных двигателей, используемых в приводах железнодорожных локомотивов, имеется то очень важное преимущество, что при движении под уклон они превращаются в генераторы и возвращают электроэнергию в линию за счет т.н. рекуперативного торможения. В лифтах и шахтных подъемниках благодаря переходу двигателей в режим генератора обеспечивается динамическое торможение, а тем самым плавное замедление оборудования и экономия на износе механических тормозов.