Устройство и принцип действия асинхронных двигателей

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электрическими машинами переменного тока называются машины, в которых применяется переменный ток. С помощью системы переменных токов, которые протекают в обмотках, в электрических машинах переменного тока образуется магнитное поле, которое вращается.

По принципу действия электрические машины переменного тока подразделяются на:

Асинхронные машины, в которых скорость вращения ротора отличается от скорости вращения магнитного поля;

синхронные машины, в которых скорость вращения ротора одинакова со скоростью вращения магнитного поля.

По назначению електрические машины переменного тока —это:

электрические генераторы;

электрические двигатели.

На практике широко применяют как синхронные генераторы, так и синхронные двигатели, в то время как асинхронные машини используют в основном как асинхронные двигатели.

Применение асинхронных двигателей. Асинхронный двигатель имеет такие позитивные качества, как несложная технология изготовления, простота в експлуатации, високая надежность и способность перегрузок, отсутствие искрения. Благодаря этим качествам асинхронный двигатель нашел широкое применение в промышленности для привода станков и мекханизмов, а также в сельхоз машинах. Но управление частотой вращения асинхронного двигателя в широком диапазоне значительно сложнее, чем, например, в двигателе постоянного тока. Это ограничивает применение асинхронного двигателя в тех случаях, когда необходимо изменять частоту вращения в широких пределах по заданному закону, например, в разных устройствах автоматики. Но с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и тиристоров, параметры которых постоянно улучшаются, расширяется применение асинхронних двигателей с частотным управлением скорости вращения. Асинхронные двигатели постепенно вытесняют двигатели постоянного тока, особенно в тех случаях, где искрение недопустимо, например в нефтяной, газовой, химической промышленности.

Устройство и принцип действия асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и подвижного ротора, которые разделены воздушным зазором.

По конструкции ротора двигатели подразделяютсяся на два основных типа: с короткозамкнутым и фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора.

Конструкция асинхронного двигателя з короткозамкнутым ротором приведена на рис.1. В корпусе І, выполненном в виде стальной вальцованой трубы или алюминиевой отливки с внешними ребрами, вставлен магнитопровод статора 2, который набирается из листов електротехнической стали толщиной 0,5 — 0,35 мм, изолированных друг от друга лаком. В пазы магнитопровода (рис. 2, а), выполненные во

время штампования листов, вставляется

обмотка статора З, которая образуется из трех фазных обмоток: С₁ — С₄ (фаза А), С₂ — С₅ (фаза Б), С₃ — С_б (фаза С).

Рис. 1

Начала С₁, С₂, С₃ і кінці С₄,С₅,С₆ фазних обмоток выведены в клемную коробку 4, закрепленную на корпусе. Фазные обмотки статора соединяются звездой или треугольником (рис.2).

Ротор (рис. 1) имеет магнитопровод 5, набранный из листов електротехнической стали толщиной 0,5-0,35 мм с выштампованными в них пазами, в которых размещены стержни 6короткозамкнутой обмотки ротора. Стержни на концах жестко соединены между собой торцевыми кольцами 7. как правило, обмотка ротора выполняется из алюминия, его заливают в расплавленном виде в пазы сердечника с одновременной отливкой торцевых колец с вентиляционными лопатками 8. Магнитопровод ротора с обмоткой крепится на валу 9 и вставляется в подшипниках 10 и 11, размещенных в подшипниковых щитах 12 и 13. Для охлаждения двигателя используется вентилятор 14, закрытый кожухом 15. Изготовления обмотки ротора методом заливки дает возможность виполнить стержни ротора практически любой необходимой формы для асинхронных двигателей мощностью до нескольких сотен киловатт (рис. 3).

Асинхронный двигатель с фазным ротором отличается от асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором только конструкцией самого ротора. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, которая выполняется аналогично обмотке статора з тем же количеством полюсов. Обмотку ротора соединяют по схеме звезды, три конца которой выводят на три контактных кольца, жестко закрепленных на валу ротора (рис. 4). При помощи металографитных щеток, которые скользят по контактним кольцам, к ротору присоединяется пусковой или пускорегулировочный реостат К_п, то есть в каждую обмотку ротора вмыкаєтся дополнительное фазное сопротивление.

Трехфазные двигатели малой и средней мощности изготавливают на два номинальных напряжения: 220/127, 380/220, 600/380 В, отношение между которыми составляет √3. При линейных напряжениях, стоящих в числителе, фазніые обмотки статора соединяют звездой, а если эти напряжения соответствуют знаменателю треугольником. В обоих случаях напряжение на фазной обмотке и токи в ней будут одинаковыми.

а — короткозамкнутый ротор

б — форма пазов ротора

Рис. 3

Принцип действия асинхронного двигателя основан на создании вращающегося магнитного поля токами (как правило, трехфазными), сдвинутыми во времени один относительно другого, которые проходят в обмотках статора (рис. 8.2, а), смещенных одна относительно другой в пространстве. Вращаясь в пространстве, основное магнитное поле наводит ЭДС в проводниках обмотки статора и ротора. ЭДС, наведенная в обмотках статора, направлена таким образом, что компенсирует приложенное напряжение сети и ограничивает ток. Под действием ЭДС, наведенной в обмотках ротора, в проводниках этой обмотки проходит ток. Проводники ротора с током находятся во вращающемся основном магнитном поле и на них действует сила Ампера. Суммарный момент сил Ампера всех проводников приводит ротор в движение, преодолевая момент нагрузки. В асинхронных двигателях ротор вращается с меньшей скоростью, чем основное магнитное поле.

Асинхронность движения ротора и поля является принципиальным отличием асинхронныхим двигателей.

а — ротор с фазной обмоткой

б — смена сопротивления фазной обмотки ротора с помощьюю регулировочного реостата

Рис. 4

вставляется обмотка статора З, которая образуется из трех фазных обмоток: С₁ — С₄ (фаза А), С₂ — С₅ (фаза Б), С₃ — С_б (фаза С). Начала С₁, С₂, С₃ і кінці С₄,С₅,С₆ фазних обмоток виведены в клемную коробку 4, закрепленную на корпусе. Фазные обмотки статора соединяются звездой или треугольником (рис. 8.2).

Ротор (рис. 8.1) имеет магнитопровод 5, набранный из листов електротехнической стали товщиною 0,5-0,35 мм с выштампованными в них пазами, в которых размещены стержни 6короткозамкнутой обмотки ротора. Стержни на концах жестко соединены между собой торцевыми кольцами 7. как правило, обмотка ротора выполняется из алюминия, его заливают в расплавленном виде в пазы сердечника с одновременной отливкой торцевых колец с вентиляционными лопатками 8. Магнитопровод ротора с обмоткой крепится на валу 9 и вставляется в подшипниках 10 и 11, размещенных в подшипниковых щитах 12 и 13. Для охлаждения двигателя используется вентилятор 14, закрытый кожухом 15. Изготовления обмотки ротора методом заливки дает возможность виполнить стержни ротора практически любой необходимой формы для асинхронных двигателей мощностью до нескольких сотен киловатт (рис. 8.3).

Асинхронный двигатель с фазным ротором отличается от асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором только конструкцией самого ротора. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, которая выполняется аналогично обмотке статора з тем же количеством полюсов. Обмотку ротора соединяют по схеме звезды, три конца которой выводят на три контактных кольца, жестко закрепленных на валу ротора (рис. 8.4). При помощи металографитных щеток, которые скользят по контактним кольцам, к ротору присоединяется пусковой или пускорегулировочный реостат К_п, то есть в каждую обмотку ротора вмыкаєтся дополнительное фазное сопротивление.

а — короткозамкнутый ротор

б — форма пазов ротора

Рис. 8.3

а — ротор с фазной обмоткой

б — смена сопротивления фазной обмотки ротора с помощьюю регулировочного реостата

Рис. 8.4

Принцип дії асинхронного двигуна ґрунтується на утворенні обертового магнітного поля струмами (як правило, трифазними), зсунутими у часі один відносно одного, що проходять в обмотках статора (рис. 8.2, а), зміщених одна відносно одної у просторі. Обертаючись у просторі, основне магнітне поле наводить ЕРС у провідниках обмотки статора і ротора. ЕРС, наведена в обмотках статора, спрямована таким чином, що компенсує прикладену напругу мережі і обмежує струм. Під дією ЕРС, наведеної в обмотках ротора, у провідниках цієї обмотки проходить струм. Провідники ротора зі струмом знаходяться в обертовому основному магнітному полі і на них діє сила Ампера. Сумарний момент сил Р Ампера всіх провідників приводить ротор у рух, долаючи момент навантаження. В асинхронних двигунах ротор обертається з меншою швидкістю, ніж основне магнітне поле.

Асинхронність руху ротора і поля є принциповою ознакою, притаманною асинхронним двигунам. Довести це можна від супротивного. Припустимо, що ротор обертається синхронно, тобто має однакову швидкість з магнітним полем. Тоді магнітне поле відносно ротора нерухоме, і тому в провідниках ротора не наводиться електрорушійних сил. Струми у провідниках ротора не проходять, оскільки причина їх виникнення — електрорушійна сила. Електромагнітний момент, зумовлений силами Ампера, також дорівнює нулю. Під дією сил тертя і моменту навантаження ротор гальмується, виходить' від синхронізму і відстає від магнітного поля. Отже, якщо навіть припустити, що ротор знаходиться у стані синхронізму, то виявляється, що цей стан нестійкий і ротор обов'язково переходить у стійкий стан асинхронізму. Характеристикою асинхронного режиму є ковзання. Ковзанням називають відносну різницю між кутовою швидкістю магнітного поля Й_х та кутовою швидкістю ротора О.₂ і позначають літерою з: