Асинхронные двигатели

Раздел 3 Электрические машины

Лектор Юсупов Р.З.

1.1. Устройство

Асинхронные машины (АМ), как и другие электрические машины, обратимы и могут работать в качестве как двигателя, так и генератора. Как правило, асинхронные машины используются в качестве двигателей (асинхронные двигатели - АД).

Конструктивное устройство асинхронной машины показано на рисунке 1.

1-вал; 2-подшипниковый щит; 3-корпус статора; 4-обмотка статора; 5-сердечник статора; 6-сердечник ротора; 7-обмотка ротора (короткозамкнутая);8-вентилятор; 9-кожух вентилятора

Рисунок 1 - Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная часть - ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются (шихтуются) из отдельных листов электротехнической стали (рисунок 2).

1 – статор, 2 - ротор

Рисунок 2 Рисунок 3

На внутренней поверхности статора и на внешней поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток.

Обмотка статора выполняется трехфазной, подсоединяется к сети трехфазного тока и называется первичной обмоткой.

К конструктивным частям статора относятся: станина, в которую устанавливается магнитопровод, и подшипниковые щиты, служащие для поддерживания вала.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора составляет около 0,5 мм, с ростом мощности и габаритов машины величина зазора увеличивается. Обмотка ротора может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в «звезду», а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединя- ется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов, как и статорная обмотка.

Другая разновидность обмотки ротора - обмотка в виде беличьей клетки (рис.3). Концы стержней такой обмотки с обоих торцов соединены накоротко кольцами, поэтому обмотка выводов не имеет. Такая асинхронная машина называется машиной с короткозамкнутым (к.з.) ротором. В машинах мощностью до 100 кВт обмотка ротора выполняется путем заливки алюминием. В более крупных машинах применяется медная сварная обмотка. Отсутствие скользящего контакта на роторе обеспечивает высокую надежность работы такого двигателя, а простота технологии изготовления - дешевизну. По этим причинам асинхронные двигатели с к.з. ротором находят широкое применение и составляют основной парк электрических машин.

Следует отметить, что обе эти конструкции трехфазного асинхронного двигателя были изобретены М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г. и сохранили по существу предложенный им вид.

1.2 Работа асинхронной машины

Работа асинхронной машины (АМ) основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с индуктированными в к.з. обмотке ротора токами.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели (АД).

При питании обмотки статора асинхронного двигателя трехфазным током создается вращающееся магнитное поле. Поэтому в АД отсутствует обмотка возбуждения, а на роторе расположена m-фазная к.з. обмотка.

Частота n₁ вращения магнитного поля статора АД определяется тем, что вращающееся магнитное поле создается при питании обмотки статора, имеющей p пар полюсов, трехфазным током частотой f1. Следовательно, синхронная частота no=n₁=60f₁/p.

Симметричная система токов обмотки статора (рисунок 4) определяет возникновение кругового поля, обеспечивающего наибольший вращающий момент.

Рисунок 4

Вращающийся магнитный поток Ф₁ индуктирует ЭДС в обмотке ротора. Поскольку обмотка ротора замкнута, то возникает система токов ротора I₂ и создается вращающийся поток ротора Ф₂. Поток ротора вращается относительно статора в ту же сторону и с той частотой n₁ , что и поток статора Ф₁ и имеет то же количество полюсов, но ориентирован, согласно правилу Ленца, практически ему навстречу. В результате взаимодействия неподвижных друг относительно друга потоков статора и ротора образуется результирующий поток Ф. Взаимодействие потока Ф и тока ротора приводит к возникновению электромагнитных сил и электромагнитного момента.

В режиме двигателя под действием этого момента ротор вращается в сторону вращения магнитного поля. В режиме генератора ротор вращается с помощью приводного двигателя со скоростью n > n₁ , при этом ЭДС обмотки статора превышает напряжение сети, и машина отдает энергию в сеть.

Частота вращения n ротора асинхронной машины всегда отлична от частоты вращения магнитного поля n₁, которую называют синхронной. Отсюда происходит название машины - асинхронная, т.е. несинхронная, в которой n ≠ n₁. В противном случае проводники ротора не будут пересекаться магнитными линиями вращающегося поля, в них не будет индуктироваться ЭДС, не будет возникать тока ротора и момента.

Отличие частоты вращения ротора n и магнитного поля n₁ характеризуется скольжением s=(n₁-n)/n₁. Скольжение может выражаться в относительных единицах или процентах.

Электромагнитный момент АД (упрощенная формула):

M = C м	U2 1 R 2 S	.
R 22+(SX 2)2

где U ₁ – напряжение статора; R ₂ – активное сопротивление обмотки ротора; S – скольжение; X ₂ – индуктивное сопротивление ротора, С - конструктивный коэффициент.

Из полученного выражения для электромагнитного момента следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения (M ∼ U ₁²). При снижении, например, напряжения на 10%, электромагнитный момент снизится на 19% (M ∼(0,9 U ₁)²=0.81 U ₁²). Это является одним из недостатков асинхронных двигателей, так как приводит на производстве к снижению производительности.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Механическая характеристика. Механической характеристикой на­зывается зависимость частоты вращения двигателя от вращающего момента n₂ = f(M) при U₁ = const.

w₂ = f (M) n ₂ = f (M)

w₂ = (1 – s) w₁ n ₂ = (1 – s) n ₁

Рабочие характеристики. Изменение различных электрических и механических параметров двигателя в нормальном режиме описывается рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимости n₂, s,M_2, I₁ , cos, от мощности P₂ валу двигателя при U₁ = const и f = const.