Асинхронный двигатель. Принцип действия электрических машин переменного тока, которые делятся на синхронные и асинхронные, основан на использовании вращающегося магнитного поля. Они состоят из неподвижной части (статора) и подвижной вращающейся части (ротора). В схемах электроподвижного состава наиболее широко распространен трехфазный асинхронный двигатель. Будучи прост по конструкции, надежен и дешев в эксплуатации, он имеет хорошие механические характеристики. Трехфазная статорная обмотка при включении в сеть переменного тока создает в статоре вращающееся магнитное поле.
Если ротор вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора, то такая частота называется синхронной. Если частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля, то такая частота называется асинхронной (асинхронность означает неодновременность, т.е. вращение не в такт, синхронность — это одновременное движение). Асинхронный двигатель может работать только при частоте вращения ротора не равной (меньшей) частоте вращения магнитного поля.
Рассмотрим принцип работы асинхронного двигателя. Если перед полюсами постоянного магнита поместить на оси медный диск 1 (рис. 2.17) и начать вращать магнит вокруг оси, то медный диск станет вращаться в том же направлении. При этом поле магнита пронизывает диск и индуктирует в нем вихревые токи. Направление всякого индуктированного тока таково, что он препятствует причине, его вызвавшей. Силы взаимодействия между полем магнита и вихревыми токами диска стремятся остановить магнит, в результате диск приобретает вращающий момент и следует за магнитом, причем частота вращения диска будет всегда несколько меньше частоты вращения магнита.
Рис. 2.17. Схема, поясняющая принцип действия асинхронного двигателя
В асинхронных двигателях магнит заменен вращающимся магнитным полем, которое создает трехфазная обмотка статора. Оно пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них эдс Если обмотка ротора замкнута, то по ней протекает ток. Взаимодействуя с полем статора, он создает вращающий момент и приводит ротор во вращение по направлению вращения магнитного поля.
Для изменения направления вращения ротора (для реверсирования) следует поменять местами любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.
Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением S. Это — отношение разности частот вращения магнитного поля статора n1 и вращающегося ротора n2, к частоте поля статора:
Скольжение иногда выражают в процентах:
Если ротор неподвижен (n2 = o), скольжение равно единице или 100%. Если ротор вращается синхронно с магнитным полем ( n1= n2), то скольжение равно нулю, т.е. чем больше частота вращения ротора, тем меньше скольжение. Обычно ротор вращается с частотой, мало отличающейся от частоты поля статора (3…5 %).
Когда вращающий момент равен моменту сопротивления вращению на валу двигателя, тот работает устойчиво с постоянной частотой вращения, каждой механической нагрузке соответствует определенная частота вращения и определенное скольжение.
Если механическая нагрузка на валу увеличилась, т.е. возрос тормозной момент, равновесие моментов нарушится. Это приведет к уменьшению частоты вращения ротора и увеличению скольжения. Поэтому магнитное поле статора начнет чаще пересекать проводники ротора. Эдс, индуктированная в проводниках ротора, возрастает и увеличивает ток ротора, его вращающий момент. Ток и скольжение в роторе будут повышаться, пока вновь не наступит равновесие моментов, вращающий момент станет равным тормозному. Аналогично протекают процессы при уменьшении нагрузки.
Синхронный генератор. В качестве источника тока для цепей управления на электропоездах с электрическим торможением применяют синхронный генератор. Статор синхронного генератора не отличается от статора асинхронного двигателя: на нем располагается трехфазная обмотка, на роторе закреплены полюсы с обмоткой возбуждения, которая питается постоянным током.
На рис. 2.18 показана схема простейшего трехфазного двухполюсного генератора переменного тока, представляющего собой совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют три эдс одинаковой частоты и сдвинутых по фазе на 120° относительно друг друга. Три одинаковые статорные обмотки размещены на стальном кольцевом сердечнике, и при вращении ротора (двухполюсного электромагнита) его магнитное поле пересекает неподвижные статорные обмотки, наводя в них переменную эдс.
Рис. 2.18. Схема простейшего трехфазного генератора переменного тока
По обмотке возбуждения ротора протекает постоянный ток. Обмотка представляет собой последовательно соединенные катушки, помещенные на полюсах ротора. Концы обмотки возбуждения соединены с медными контактными кольцами, которые установлены на валу ротора. На кольцах закреплены неподвижные щетки, через них к обмотке подводится постоянный ток от постороннего источника (аккумуляторной батареи). После возрастания частоты вращения ротора и появления напряжения на статорных обмотках обмотка возбуждения отключается от аккумуляторной батареи и подсоединяется через выпрямительный мост к собственным статорным обмоткам генератора.
Таким образом, при вращении ротора с некоторой частотой п магнитное поле полюсов ротора, созданное током возбуждения, индуктирует в обмотках статора эдс. Частота переменной эдс определится формулой
где р — число пар полюсов;
n —частота вращения ротора.
При нагрузке генератора в обмотках статора протекает ток и создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1:
Сравнивая приведенные формулы, приходим к выводу, что п = н;, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора, поэтому генератор называют синхронным.
В синхронной машине жестко связаны такие параметры, как частота вращения ротора п, частота тока статора f и число пар полюсов роторар:
Так, для вырабатывания тока промышленной частоты 50 Гц двухполюсный генератор должен иметь частоту вращения 3000 об/мин, четырехполюсный — 1500 об/мин, а шестиполюсный — 1000 об/мин, что имеет место на преобразователях электропоездов.
Во время работы генератора напряжение трехфазной магистрали (220 В) электропоезда определяется эдс, индуктированной в статорных обмотках генератора, которая зависит от магнитного поля, созданного полюсами ротора, т.е. от величины тока возбуждения. Если магнитный поток полюсов мал, то мала и эдс При увеличении магнитного потока она возрастает. Таким образом, при постоянной частоте вращения ротора эдс пропорциональна магнитному потоку. Поэтому изменение тока в обмотке возбуждения позволяет изменять эдс генератора, другими словами, регулировать напряжение сети. Частота переменного тока определяется частотой вращения ротора генератора.
