Устройство асинхронного двигателя трехфазного тока

МГТУ им. Н. Э. Баумана

Устройство  асинхронного двигателя трехфазного  тока

Электротехника и Электроника

 

Севрюк Анна Олеговна гр. СМ6-61 14.05.2013

 

Устройство асинхронного двигателя  трехфазного тока

 

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.

На корпусе двигателя имеется  доска с зажимами, с помощью  которых обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток – соответственно С4, С5 и С6.

Сердечник ротора представляет собой цилиндр, собранный из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы с обмоткой ротора.

Обмотки ротора бывают двух видов  – короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают асинхронные  двигатели с короткозамкнутым и  фазным ротором (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней, расположенных в пазах, и замыкающих колец. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляются из меди, в других из – алюминия, в третьих из бронзы и т.д. Алюминиевую обмотку получают путем заливки в пазы жидкого алюминия.

Фазную обмотку ротора выполняют  так же, как и обмотку статора. Она всегда соединяется звездой. Начала фаз обмоток присоединяют к контактным кольцам, которые изготавливают из стали или латуни и располагают на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки, расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор, который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).

Вал ротора изготовлен из стали и  вращается в шариковых или  роликовых подшипниках. Подшипники укреплены в подшипниковых щитах, которые изготовлены из чугуна или  стали и прикрепляются к корпусу  болтами.

Тепловая энергия, возникающая в двигателе в результате потерь электрической энергии в его обмотках и магнитопроводе, нагревает двигатель. Для увеличения теплоотдачи ротор снабжен крыльчаткой, прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя.

 

Вращающееся магнитное поле.

 

Допустим в начале, что все  проводники статора двухполюсного  асинхронного двигателя размещены  в двух диаметрально расположенных  пазах и в обмотке действует  постоянный ток.

Магнитная цепь двигателя содержит ферромагнитные участки: сердечник  статора и ротора и воздушный  зазор между ротором и статором.

Для любой линии магнитной индукции по закону полного тока можно записать

2H₀l₀ + H_стl_ст = Σ Iw,

 

где H₀, H_ст – напряженности магнитного поля соответственно в воздушном зазоре (l₀ ) и в участках сердечников ротора и статора ( l_ст ); Iw – МДС одной фазы обмотки.

Следует отметить, что B и H в различных  участках сердечника статора и ротора неодинаковые, например, в зубцах  между пазами статора, а также ротора они имеют наибольшее значение, поскольку сечение магнитопровода в зубцах наименьшее.

Так как H = B/μ_a, а μ_a >> μ₀ , то H₀  >> H_ст и, следовательно,

2H₀l₀ >> H_стl_ст.

Поэтому для упрощения анализа  картины магнитного поля асинхронного двигателя можно полагать, что

2H₀l₀ ≈ Σ I w,

откуда

H₀ = Σ I w/2l₀,

и магнитная индукция в воздушном  зазоре

B₀ = μ₀ Н₀ .

Поскольку воздушный зазор одинаков по всей длине напряженность и  магнитная индукция вдоль всего  зазора будут иметь одинаковые значения.

Проводники второй и третьей  фаз обмотки создают аналогичные  магнитные поля, но сдвинутые в  пространстве на угол 120^о. Если одну фазу обмотки подключить к сети однофазного тока, где напряжение изменяется во времени синусоидально, то магнитное поле будет изменятся во времени синусоидально с частотой тока сети. Таким образом, магнитное поле, созданное синусоидальным током одной фазы, распределяется вдоль воздушного зазора примерно синусоидально, неподвижно в пространстве и изменяется во времени.

Обмотка статора асинхронного двигателя соединяется звездой или треугольником и подключается к сети трехфазного тока. Поскольку каждая фаза обмотки  имеет одинаковое число витков и они симметрично расположены по окружности статора, их сопротивление и амплитуда тока будут одинаковыми, но токи в фазах обмотки будут сдвинуты по времени относительно друг друга на 120^о. Токи каждой фазы обмотки создадут магнитные поля, которые, очевидно, будут сдвинуты во времени на тот же угол. В результате сложения двух магнитных полей всех фаз образуется общее магнитное поле двигателя. Магнитная индукция результирующего магнитного поля оказывается распределенной вдоль воздушного зазора также по синусоиде, ее амплитуда не изменится во времени и в 1,5 раза больше амплитуды магнитной индукции одной фазы. Результирующее поле вращается с постоянной частотой.

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.

Схема замещения асинхронного двигателя

 

Для анализа работы асинхронного двигателя  пользуются схемой замещения. Схема  замещения асинхронного двигателя  аналогична схеме замещения трансформатора и представляет собой электрическую схему, в которой вторичная цепь (обмотка ротора) соединена с первичной цепью (обмоткой статора) гальванически вместо магнитной связи, существующей в двигателе.

Основное отличие асинхронного двигателя от трансформатора в электрическом  отношении состоит в следующем. Если в трансформаторе энергия, переданная переменным магнитным полем во вторичную цепь, поступает к потребителю в виде электрической энергии, то в асинхронном двигателе энергия, переданная вращающимся магнитным полем ротору, преобразуется в механическую и отдается валом двигателя потребителю в виде механической энергии.

Электромагнитные мощности, передаваемые магнитным полем во вторичную  цепь трансформатора и ротору двигателя, имеют одинаковые выражения:

Р_эм = Р₁ – ΔР₁.

В трансформаторе электромагнитная мощность за вычетом потерь во вторичной обмотке поступает потребителю:

Р₂ = Р_эм – 3I₂² r₂ = 3U₂ I₂ cosφ₂ = 3I₂² r_П = 3I ^' ₂² r^' _П,

где r_П – сопротивление потребителя.

В асинхронном двигателе электромагнитная мощность за вычетом потерь в обмотке ротора превращается в механическую мощность:

Р₂ = Р_мех = Р_эм – 3I₂² r₂ =  P_эм – 3I^'₂² r^'₂

 

P_мех = [3 I₂² r₂ (1–s)]/s = 3I^'₂² r^'₂ (1–s)]/s  = 3I₂² r^'_э = 3I^'₂² r^'_э ,

где r^'_э = [r^'₂ (1–s)]/s

Сравнивая выражения можно заключить, что r^'_П = r^'_э .

Таким образом, потери мощности в сопротивлении численно равны механической мощности, развиваемой двигателем.

 

 

Схема замещения

 

 

 

 

 

Заменив в схеме замещения трансформатора сопротивление нагрузки r^'_П на  r^'_э = [r^'₂ (1–s)]/s, получим схему замещения асинхронного двигателя. Все остальные элементы схемы аналогичны соответствующим элементам схемы замещения трансформатора: r₁, x₁ – активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора.

Приведенные значения определяются так же, как  и для трансформатора:

r^'₂ = r₂ k² , x^'₂ = x₂ k²,

где k = E₁ /E_2k = U_1ф /E_2k – коэффициент трансформации двигателя.

Может возникнуть сомнение в возможности  использования гальванической связи  цепей статора и ротора в схеме  замещения, поскольку частоты в  этих цепях на первый не одинаковы. Первая часть схемы замещения представляет собой эквивалентную схему фазы обмотки ротора, которая приведена к частоте тока статора. В реальном же двигателе в отличие от схемы замещения частоты тока ротора и статора не одинаковы.

Механическая характеристика асинхронного двигателя

 

Механической  характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора двигателя или скольжения от момента, развиваемого двигателем при установившемся режиме работы: n = f(M) или s = f(M).

Механическая характеристика является одной из важнейших характеристик двигателя. При выборе двигателя к производственному механизму из множества двигателей с различными механическими характеристиками выбирают тот, механическая характеристика которого удовлетворяет требованиям механизма.