Принцип действия и устройство асинхронных двигателей

При протекании трёхфазной системы токов по трёхфазной обмотке статора в двигателе создаётся магнитное поле, распределённое вдоль окружности воздушного зазора между статором и ротором по синусоидальному закону и вращающееся в направлении чередования фаз с угловой скоростью w ₁ = 2π n₁ (рис. 4.1).

Это поле обеспечивает изменяющееся во времени потокосцепление с обмотками статора и ротора, индуктирующее в них ЭДС. Под действием ЭДС ротора в проводниках его обмотки протекают переменные токи, которые совместно с токами статора создают результирующее поле с индукцией В_d в зазоре (рис. 4.2). В результате взаимодействия этого поля с токами ротора на проводники ротора действуют электромагнитные силы (силы Ампера), определяющие момент М, который может привести ротор во вращение с угловой скоростью w < w₁ в направлении вращения поля, преодолевая момент сопротивления

М_с= М₂ + М₀, (4.1)

состоящий из момента сопротивления М₂ рабочего механизма, сочленённого с двигателем, и момента потерь самого двигателя М₀.

Рис. 4.1. К принципу действия асинхронного двигателя (крестики и точки – направления намагничивающей составляющей тока статора и ЭДС и активной составляющей тока ротора)

Движение ротора двигателя совместно с механизмом описывается известным уравнением механики:

М – М_с = J (dw/dt), (4.2)

где J – суммарный момент инерции вращающихся частей. Согласно уравнению (4.2), если М > М_с, то ускорение dw/dt > 0 и, следовательно, ротор разгоняется до скорости w < w₁, при которойего момент будет равен моменту сопротивления М = М_с. Ротор не может разогнаться до скорости поля из-за наличия момента сопротивления на валу. ЭДС, токи ротора и электромагнитный момент возникают только при w ¹ w₁, т.е. когда ротор проскальзывает относительно поля. Относительную скорость проскальзывания ротора и поля называют скольжением S:

S = (w₁- w)/w₁=(n₁- n)/ n₁, (4.3)

где n₁ и n – частоты вращения магнитного поля и ротора соответственно.

Энергия источника переменного тока (сети), подводимая к обмотке статора, превращается в механическую энергию на валу, передаваемую рабочему механизму, и частично – в потери самого двигателя. При этом ротор вращается со скоростью w < w₁, т.е. несинхронно с магнитным полем, поэтому рассматриваемое устройство является асинхронным двигателем.

Ротор вращается под действием электромагнитного момента М в направлении вращения магнитного поля. Следовательно, для изменения направления вращения ротора (реверса) необходимо изменить чередование фаз на обмотке статора. Для этого достаточно поменять местами два любых проводника, подводящих напряжение к обмотке статора.

На внутренней цилиндрической поверхности сердечника статора и наружной поверхности сердечника ротора имеются равномерно распределённые пазы для обмоток. Обмотка статора выполняется из медных изолированных проводников. Обмотка ротора может быть выполнена в виде системы стержней из сплава алюминия, залитого в пазы сердечника ротора, и замыкающих колец на торцах. В мощных машинах стержни и кольца выполняют из меди либо латуни. Такую обмотку называют беличьей клеткой, а ротор - короткозамкнутым. В другом варианте обмотка ротора выполняется трёхфазной аналогично обмотке статора и соединяется в звезду. При этом начала фаз обмотки ротора присоединяют к трём изолированным стальным, бронзовым или латунным кольцам, расположенным на валу двигателя. На кольца установлены неподвижные щётки, к которым можно подключать, например, дополнительные сопротивления. Ротор с такой обмоткой называют фазным.

Конструкцию асинхронного двигателя вначале можно изучить, используя учебники или справочники по электрическим машинам [2,3,4,5], а затем по плакатам и макетам, имеющимся в лаборатории. В отчёте следует поместить упрощённый эскиз двигателя с фазным ротором, пронумеровать и назвать все функционально важные элементы, указать их назначение и используемые материалы. На рис. 4.2 и 4.3 приведены конструкции наиболее распространённых асинхронных двигателей.

Рис. 4.2. Асинхронный двигатель серии 4А со степенью защиты IP44:

1, 2 – сердечники статора и ротора; 3 – короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4 – обмотка статора; 5, 9 – подшипниковые щиты; 6 – вентилятор; 7 - кожух вентилятора; 8 – подшипники; 10 – вал; 11 – коробка выводов; h – высота оси вращения

Рис. 4.3. Асинхронный двигатель серии 4А с фазным ротором и степенью защиты IP23: 1, 2 – обмотки статора и ротора; 3, 4 – сердечники статора и ротора; 5 – вал; 6 – подшипники; 7 – контактное кольцо; 8 – изоляция контактных колец