Асинхронные двигатели

Введение

Асинхронные двигатели - наиболее распространенный вид электрических  машин, потребляющих в настоящее  время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Асинхронный двигатели широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов  станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства  удовлетворяются главным образом  двигателями основного исполнения единых серий общего назначения, т.е. применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и  т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические  и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий  окружающей среды, предназначенные  для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных  видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного  исполнения серий с максимально  возможным использованием узлов  и деталей этого исполнения.

В некоторых приводах возникают  требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы  специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

 

1. Общие сведения

Асинхронный двигатель трехфазного  тока представляет собой электрическую  машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного  тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

Двигатель имеет две основные части: неподвижную – статор и  вращающуюся – ротор. Статор состоит  из корпуса, представляющего собой  основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна и алюминия. С помощью лап  двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине  производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя  к производственному механизму.

В корпус вмонтирован сердечник  статора, представляющий собой полый  цилиндр, на внутренней поверхности  которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки, находящейся  вне пазов, называется лобовой; она  отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора  действует переменный магнитный  поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник  должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 – 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

Обмотка статора выполняется  в основном из изолированного медного  провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу и хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюда, стекловолокно и различные  эмали. Для изоляции проводов обмотки  от сердечника статора служат электроизоляционный  картон, слюда, асбест, стекловолокно.

Обмотка статора состоит  из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены  между собой звездой или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы – X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В. Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Устройство

2.1 Конструкция статора

Статор Ас.М. представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга.

 Фазные обмотки соединяются  между собой звездой или треугольником  и подключаются к трехфазной  сети. Токи в фазных обмотках  возбуждают в машине вращающееся  магнитное поле статора с числом  пар полюсов p, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/ p.

Для укладки многовитковой  катушечной группы в пазах статора  ее разделяют на q последовательно соединенных секций по w_c витков в каждой секции. Возможны секции с одинаковым и неодинаковым шагом намотки y. В первом случае стороны каңдой секөии сдвинуты по окруңности статора на угол 180°/ p, что соответствует одному полюсному делению y=τ,т.е. длине окружности статора, приходящейся на один полюс. Во втором случае секции катушечной группы вложены друг в друга, т.е. их шаг намотки τ<y< τ.

Распределение фазных обмоток  по нескольким пазам не только улучшает использование цилиндрической конструкции  статора, но и обуславливает необходимое  распределение магнитного поля в  воздушном зазоре между статором и ротором.

Сердечник статора изготавливается  с открытыми или полуоткрытыми  пазами, применение полуоткрытых пазов  уменьшает магнитное сопротивление  и, следовательно, намагничивающий  ток. При открытых пазах упрощается укладка секций и повышается надежность изоляции.

2.2 Конструкция ротора

Ас.М. в основном различаются устройством ротора. Ротор Ас.М. представляет собой цилиндрический сердечник собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный на подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (т.н. «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

 

 

 

 

3. Принцип действия асинхронного двигателя

В обмотке статора, включенной в  сеть трехфазного тока, под действием  напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся  магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит  в них переменную ЭДС, направление  которой определяется по правилу  правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток  того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным  полем возникает сила, действующая  на проводники ротора, направление  которой определяется по правилу  левой руки. Сила создает момент, действующий в сторону.

Под действием момента  ротор приводит в движение и после  разбега вращается в том же направлении, что и магнитное  поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ÷ 0,98)n*₀.

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера – взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

3.1 Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя.

Токи обмоток статора, подключенных к трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора, которое индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или пусковыми реостатами) обмотке ротора. Токи ротора, возникающие под действием ЭДС, возбуждают вращающееся магнитное поле ротора. Частота и направление вращения этих полей одинаковы, что обуславливает результирующее вращающееся магнитное поле, называемое рабочим полем машины.

Рассмотрим характеристики вращающегося магнитного поля статора, полагая, что цепь ротора разомкнута. Характеристики этого поля зависят  от геометрического расположения фазных обмоток на статоре машины.

3.2 Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающее магнитное поле Ас.М.

Обмотка короткозамкнутого  ротора состоит из N стержней. Между ЭДС, индуктированными вращающимся магнитным полем статора в двух соседних стержнях, сдвиг фаз равен 360°p/N. Можно считать, что число фаз короткозамкнутого ротора равно числу стержней, m₂=N, а число витков в каждой фазе w₂=1/2.

Аналогично цепь фазного  ротора представляет собой трехфазную систему m₂=3 с числом витков w₂ в каждой фазе. Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к фазе ротора, будут отмечаться индексом 2, а относящиеся к фазе статора — индексом 1.

Примем сначала, что цепь ротора разомкнута, т.е. ток в ней  отсутствует, на ротор не действуют  электромагнитные силы и он неподвижен. В этом случае магнитное поле машины представляет собой только вращающееся магнитное поле статора.

При неподвижном роторе индуктированной  в его обмотке ЭДС равна частоте f токов в цепи статора. Если ротор вращать с частотой n вслед за вращающимся полем статора, то  частота индуктированной в его обмотке ЭДС уменьшится. Эту частоту  f₂ можно определить из выражения    n₁=f·60/p,   в котором вместо частоты вращения поля статора n₁ нужно подставить разность n₁ - n, т.к. вращающееся магнитное поле статора пересекает витки обмотки ротора только вследствие того, что частота его вращения n меньше, чем поля статора n₁:          f₂=p(n₁-n)/60.

Если теперь цепь ротора замкнуть, то токи в ней образуют многофазную систему с m₂=N фазами в случае короткозамкнутого ротора и с m₂=3, т.е. трехфазную в случае фазного ротора. Следовательно, токи в обмотке ротора аналогично токам в обмотке статора должны возбуждать вращающееся магнитное поле. Частоту вращения n_отн этого поля относительно ротора можно определить, пользуясь общим выражением частоты вращения многополюсного поля n₁=f·60/p:     n_отн = f₂·60/p.

Т.к. сам ротор вращается  в том же направлении с частотой n, то его поле вращается в пространстве с частотой n_отн + n = (n₁ – n) + n = n₁,    т.е. поле ротора вращается синхронно с полем статора.

Т.о., вращающиеся поля статора  и ротора по отношению друг к другу  остаются неподвижными, что является характерным условием полной передачи энергии от статора к ротору. Складываясь, вращающиеся магнитные поля статора  и ротора образуют рабочее вращающееся  магнитное поле асинхронного двигателя. Рабочее вращающее поле в ас.дв. Служит таким же связующим звеном между обмотками статора и ротора, как и переменное магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, передающее энергию от первичной к вторичной обмотке.

4. Режим работы трехфазной асинхронной машины.

Режим работы трехфазной Ас.М. определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает  ротор вращаться по направлению  вращения поля. Но чем быстрее вращается  ротор, тем меньше индуктируемые  в его обмотке ЭДС, а, следовательно, и токи. Если частота вращения поля n₁, а частота вращения ротора n, то режим работы Ас.М. можно характеризовать скольжением

На рисунке 5 построена  линейная характеристика n(s) по (1). В зависимости от значения скольжения s трехфазная Ас.М. может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0< s <1) трехфазная Ас.М. преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (s <0) трехфазная Ас.М. преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.