Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя (АД). Получение вращающегося магнитного поля

Вращающееся магнитное поле можно получить также системой трех катушек, сдвинутых в пространстве на 120º, по которым протекают синусоидальные токи, сдвинутые во времени на треть периода, т.е по фазе на 120º (рис. 9.2).

 

Рис. 9.2. Трехфазная система токов

Подобно двухфазной системе токов индукция магнитного поля в центре катушек определится геометрической суммой векторов индукции, созданной каждым током в отдельности. Более наглядно можно показать создание ВМП графически построением картины магнитного поля через определенные промежутки времени, например, через 1/6 часть периода.

На рис. 9.2, в показана временная диаграмма токов в катушках. Условимся положительный ток обозначать крестиком у начала обмотки и точкой у конца. На рис. 9.3 показаны направление токов в обмотках в моменты времени , , , и картина магнитного поля в эти моменты времени.

 

 

Рис. 9.3. Картина магнитного поля трехфазной системы токов

Как показано на рис. 9.3, через 1/6 часть периода магнитное поле поворачивается на 60º. Картина поля получится такой, какую бы создавал постоянный магнит, вращаясь со скоростью ω₀.

Система трех синусоидальных токов, сдвинутых в пространстве на 120º и во времени на треть периода, создает круговое вращающееся магнитное поле.

Схематично устройство асинхронного двигателя показано на рис. 9.7, а.

 

 

Рис. 9.7. Асинхронный двигатель: а – устройство;

б – фазная обмотка; в – обмотки статора

Неподвижная часть машины – статор – представляет собой полый цилиндр, составленный из листов электротехнической стали. Зубчатые листы в сборе образуют на внутренней поверхности пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка. Одна фаза этой обмотки показана на рис. 9.7, б; на рис. 9.7, в – условное графическое обозначение трехфазной обмотки. Выводы этой обмотки соединены с клеммной колодкой для подключения к сети, или «звездой» (рис. 9.8, а), или треугольником (см. рис. 9.8, б).

 

 

Рис. 9.8. Схема подключения АД к сети: а) звездой б) треугольником

Вращающаяся часть двигателя – ротор – имеет форму цилиндра и подобно статору набирается из листов электротехнической стали. В пазах ротора укладывается обмотка, которая может быть выполнена в двух вариантах.

Короткозамкнутая обмотка (рис. 9.9, а) выполняется в форме «беличьего колеса». При этом обмотку и сталь ротора не изолируют друг от друга, а просто пазы ротора заливают алюминием, а с торцевой части также литьем все проводники замыкают накоротко.

 

 

Рис. 9.9. Обмотки ротора: а – короткозамкнутого; б – фазного

Обмотка фазного ротора выполняется, подобно обмотке статора, изолированным проводом. Ее соединяют в «звезду», а начала обмоток присоединяют к трем контактным кольцам, изолированным друг от друга и жестко сидящим на валу. С помощью щеток эта обмотка подключается к внешней цепи (см. рис. 9.9, б).

Принцип действия асинхронного двигателя

При подключении обмотки статора к трехфазной цепи ток в этих обмотках создает круговое вращающееся (бегущее) магнитное поле. Вращающееся магнитное поле условно покажем с помощью двух вращающихся со скоростью ω₀ магнитов (рис. 9.10).

 

Рис. 9.10. Принцип работы асинхронного двигателя

Пересекая проводники обмотки статора, ВМП наводит в них ЭДС (закон электромагнитной индукции). Направление ЭДС определяется правилом правой руки. В верхних проводниках под северным полюсом ЭДС будет направлена к нам, в нижних – от нас. Под действием ЭДС вращения в проводниках обмотки ротора возникает ток, совпадающий по направлению с ЭДС.

На ток в магнитном поле действует сила (закон Ампера), направление которой определяется правилом левой руки. Суммарное действие сил приводит к созданию вращающегося момента, направленного в сторону вращения поля. То есть поле статора увлекает за собой ротор.

Однако скорость вращения ротора ω должна быть меньше скорости вращения поля ω₀. В противном случае, если допустить равенство этих скоростей, то проводники обмотки ротора будут неподвижны относительно ВМП, следовательно, в них не будет образовываться ЭДС и, в конечном счете, вращающий момент будет равен нулю. В результате ротор начнет отставать от ВМП, т.е. будет вращаться асинхронно.

 

 

32. Механические и рабочие характеристики АД

График связывает между собой 2 механические величины – вращающий момент, развиваемый асинхронным двигателем, и скоростью вращения. Механическая характеристика является основной характеристикой любого электрического двигателя, определяющей его эксплуатационные возможности.

Для каждого асинхронного двигателя может быть определён номинальный режим, то есть режим длительной работы, при котором двигатель не перегревается сверх установленной температуры. Момент М_ном., соответствующий номинальному режиму, называется номинальным моментом. Соответствующее ему номинальное скольжение составляет для асинхронных двигателей средней мощности S_ном.=0,02…0,06, то есть

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя. Обычно .

Отношение пускового момента М_П, развиваемого двигателем в неподвижном состоянии, то есть при n=0, к номинальному моменту называется кратностью пускового момента. Для двигателя с короткозамкнутым ротором .

Определим область устойчивой работы асинхронного двигателя. Пусть двигатель работает в точке 1 механической характеристики, развиваемая скорость n₁ и вращающий момент M₁. В установившемся режиме, то есть при равномерном вращении, этот момент равен статическому моменту М_с1 сопротивления нагрузки, например металлорежущего станка. Пусть теперь момент нагрузки увеличится до M_c2. Это вызовет торможение машины, так как момент сопротивления станет больше движущего момента.

Скорость начнём уменьшаться, что влечёт за собой увеличение момента, развиваемого двигателем. Этот процесс заканчивается, когда момент, развиваемый двигателем, станет равным M₂=M_c2. При этом установившаяся скорость n₂ (точка 2), меньшая, чем n₁. Свойство автоматического установления равновесия между статическим моментом сопротивления и преодолевающим его моментом двигателя называется саморегулированием. Длительность этого переходного процесса составляет десятые или сотые доли секунды.

Саморегулирование и устойчивая работа двигателя обеспечивается для всей верхней ветви механической характеристики, то есть от М=0 до момента, близкого к максимальному. Наклон этой ветви характеристики незначителен, то есть здесь скорость мало изменяется при изменении момента нагрузки. Подобная механическая характеристика с малым изменением скорости при изменении нагрузки называется жёсткой.

Так как механические характеристики соответствуют положению неустойчивого равновесия, так как при любом малом снижении скорости, обусловленной незначительным увеличением момента нагрузки момент двигателя не растёт, а падает, в результате чего двигатель останавливается. Вся нижняя часть механической характеристики, лежащая ниже точки К, является областью неустойчивой работы двигателя. Максимальный момент M_max называется опрокидывающим моментом асинхронной машины. Работа машины на верхней устойчивой части механической характеристики с моментом, превышающем номинальный, возможна лишь кратковременно. В противном случае срок службы машины сокращается из-за её перегрев

 

 

33. Пуск АД с короткозамкнутым и фазным ротором

 

34. Схемы пуска и реверса АД