Получение вращающегося магнитного поля

Назначение асинхронного электродвигателя

Лекция 20 – 21. АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ.

Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устрой­ства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появле­ние наиболее распространенного в данное время электродвигателя, назы­ваемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины — ротор — всегда вращается со скоростью, не равной скорости магнитного потока, т.е. не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10000 В, такой электродвигатель прост по кон­струкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими электродвигателями. Он применяется во всех видах работ, где не требу­ется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в од­нофазном исполнении при малой мощности.

Рассматривая работу трехфазных трансформаторов, видно, что сумма мгновенных значений пульсирующих (переменных) магнитных потоков трех стержней всегда равна нулю. Происходит это потому, что оси трех обмоток AX, BY, CZ параллельны друг другу, как показано на рис. 1.1. Направление мгновенных токов нанесено для момента времени а диа­граммы трехфазного тока (рис. 1.2). Такой же эффект получается, если обмотки расположены по одной, общей оси (рис. 1.3).

Однако дело существенно меняется, если обмотки расположены в про­странстве под углом 120°, так же как и оси. Такое размещение обмоток на внутренней поверхности стального цилиндра показано на рис. 1.4.

Токи в проводах обмотки нанесены для момента времени а, диаграммы на рис. 1.2 и соответствуют показанным на рис. 1.3.

Намагничивающая сила обмотки BY - F_Bm, направлена по оси обмотки by и имеет максимальное значение, так как i_B=I_Bm. Намагничивающая сила обмотки АХ - F_A направлена по оси своей обмотки ах, но равна 0,5F_Bm, так как ток i_A=0,5I_Bm. Точно так же Fс=0,5F_Bm и направлена по оси cz. Легко видеть, что при данном расположении создают суммар­ную н.с.: F=F_A+Fc+F_Bm=l,5F_Bm.

Если рассмотреть явление через 1/6 периода (точка б на рис. 1.2), то можно видеть (рис. 1.5), что результирующая н.с., сохранивсвое значе­ние, повернулась на 1/6 окружности, т. е. на 60°.

Вместе с н.с. трехфазной обмотки вращается и суммарный магнитный поток Ф, созданный ею. При данной конструкции обмоток поток оказался двухполюсным (р= 1), что и показано на рис. 1.5.

Легко видеть, что за один период тока магнитный поток сделает один оборот, а за f периодов в секунду или за f∙60 периодов в минуту двухпо­люсный поток сделает

Если сконструировать обмотки так, чтобы число пар полюсов было больше единицы (р=2, 3, 4...), то скорость вращения магнитного потока уменьшается во столько раз, во сколько р>1.

Итак, трехфазный ток, обтекая трехфазную обмотку, создает вра­щающийся с постоянной скоростью магнитный поток, сохраняющий свою амплитуду в 1,5 раза большую амплитуды потока одной фазы:

Ф=1,5Ф_фазы.

В асинхронных электродвигателях трехфазная обмотка располагается в пазах внутренней цилиндрической поверхности неподвижной части машины — статора (рис. 1.6).

Статор состоит из внешнего стального кор­пуса 1, в который запрессован стальной сердечник статора 2, имеющий пазы. Сердечник собирается из стальных штампованных листов (рис. 2.7) электротехнической стали, изолированных друг от друга с обеих сторон специальным лаком. Корпус статора у показанного электродвигателя с внеш­ней стороны обдувается воздухом при помощи вентилятора, и для увеличения охлаждаемой поверхности она выпол­нена ребристой.

Так как внутри статора должна по­мещаться вращающаяся часть — ро­тор, то лобовые части обмотки, не ле­жащие в пазах, должны укладываться не так, как показано на рис. 1.4, а на торцовых сторонах сердечника стато­ра 2 (рис. 1 8). Начала фаз А, В, С сме­щены на 120° (рис. 1.8), а выводы от них помещены в распределительную короб­ку 3 (рис. 1.6).

Обмотки ротора

Вращающаяся часть асинхронного двигателя — ротор, так же как и статор, имеет обмотку. Она помещена в пазах 1 стального цилиндра (рис. 1 9), набранного, как и сердечник статора, из листов электротехни­ческой стали (рис. 1.10) толщиной 0,5 мм. После штамповки листы соби­рают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал двигателя и закреп­ляют В пазах ротора помещается или короткозамкнутая, или фазная об­мотка. Изоляцией между листами ротора обычно служит пленка окисла. Активная сталь ротора является частью магнитной цепи двигателя. Об­мотка может быть фазной, построенной по тому же принципу, что и об мотка статора. Делается это в том случае, когда в фазы обмотки включа­ется добавочное сопротивление (реостат), необходимый при пуске или регулировании скорости двигателя. Обмотка ротора 2 соединяется в звезду, а выводы подключаются к трем контактным кольцам 3 (рис. 1 9), насаженным на вал ротора и изолированных от вала и друг от друга. Контактные кольца изготавливаются из меди, бронзы, редко из стали. Фазный ротор показан на рис. 1.9.

Продольный разрез двигателя с фазным ротором показан на рис. 1.11.Чаще изготавливаются двигатели с короткозамкнутой обмоткой рото­ра. Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стерж­ни концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка на­зывается короткозамкнутой. Обмотка образует клетку, называемую бе­личьей, показанную отдельно на рис. 1.14. Короткозамкнутую обмотку ротора делают в трех модификациях: с нормальной клеткой, с двойной клеткой и с глубоким пазом (рис 1.15). Для двигателей до 100 кВт эту клетку чаще всего получают путем отливки из алюминия, при этом од­новременно отливаются торцевые кольца и лопасти вентилятора для ох­лаждения двигателя (рис. 1.13). Выполняют роторные обмотки также из меди и ее сплавов. В пазы прямоугольной или трапецеидальной формы забивают стержни, к стержням с обеих сторон припаивают твердым при­поем замыкающие кольца. Вид двигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым с внешним обдувом для охлаждения показан на рис. 1.12 и рис. 1.16.

Вал ротора, подшипниковые щиты, подшипники, вентилятор, фланцы, детали крепежа.

Вал ротора является ответственной деталью. От жесткости вала и точности его обработки зависит равномерность воздушного зазора между статором и ротором. Валы диаметром до 100 мм обычно изготавливают из стального проката. Подшипниковые щиты служат для конструктивного соединения вала ротора со станиной, отливают из чугуна или алюминия, иногда делают сварными из стали.

В электрических машинах применяют подшипники качения шарико­вые и роликовые, а также подшипники скольжения. Встроенный венти­лятор, сидящий на валу ротора, должен создавать определенное давле­ние для прогонки достаточного количества воздуха через машину. В электрических машинах используют вентиляторы трех типов: центро­бежные, осевые, смешанные. У машин закрытого типа вентилятор ста­вится на выступающий конец вала.

Для защиты обмоток от попадания влаги и для направления движения воздуха в двигателях применяют металлические диффузоры. Фланцы и Детали крепежа используются обычные, как и в других устройствах.

Величина воздушного зазора между статором и ротором (порядка 0,2—1,2 мм, в зависимости от мощности электродвигателя) оказывает большое влияние на работу. С увеличением зазора энергетические пока­затели двигателя резко ухудшаются.

Принцип действия асинхронного двигателя.

Рассмотрим устройство, показанное на рис. 1.17. Оно состоит из посто­янного магнита 1, медного диска 2, рукоятки 3 и подшипников 4. Если вращать магнит при помощи рукоятки, то медный диск начинает вращаться в ту же сторону, но с меньшей частотой вращения. Медный диск можно рассматривать как бесчисленное множество замкнутых витков; при вращении магнита 1 его магнитные силовые линии (м.с.л.) пересека­ют витки диска, и в витках индуцируется электродвижущая сила (э.д.с.). В замкнутых витках диска появится ток, а вокруг проводников с то­ком — магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем маг­нита и приводит диск во вращение.

Обозначим:

n1 — частота вращения магнита (синхронная частота), об/мин;

n2— частота вращения диска, об/мин;

n — разность частот вращения магнита и диска, об/мин.

Частота вращения диска меньше частоты вращения магнита, и, следо­вательно, диск вращается с несинхронной (асинхронной) частотой. Раз­ница частот магнита и диска представляет собой частоту, с которой м.с.л. пересекают битки диска. Отношение разницы частот к синхронной час­тоте называется скольжением. Скольжение может быть выражено в до­лях единицы и в процентах:

В двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазным током, протекающим по обмотке статора, а роль диска выполняет обмот­ка ротора. Активная сталь статора и ротора служит магнитопроводом, уменьшающим в сотни раз сопротивление магнитному потоку.

Под влиянием подведенного к статору напряжения сети U₁ в его об­мотке протекает ток I₁. Этот ток создает вращающийся магнитный поток Ф, замыкающийся через статор и ротор. Поток создает в обеих обмотках э.д.с. Е₁ и Е₂, как в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Та­ким образом, асинхронный двигатель подобен трехфазному трансформатору, в котором э.д.с. создаются вращающимся магнитным потоком.

Пусть поток вращается в направлении движения стрелки часов. Под влиянием э.д.с. Е₂ в обмотке ротора пойдет ток I₂, направление которого показано на рис. 1.18. В предложении, что он совпадает по фазе с Е₂. Взаимодействие тока I₂ и потока Ф создает электромагнитные силы F, приводящие ротор во вращение, вслед за вращающимся потоком. Таким образом, асинхронный двигатель представляет собой трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой и способный поэтому превращать электрическую мощность E₂I₂ cosφ в механическую.

Ротор всегда отстает от вращающегося магнитного потока, так как только в этом случае может возникать э.д.с. Е₂, а следовательно, ток I₂ и силы F. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изме­нить направление вращения потока. Для этого меняют местами два лю­бых провода, подводящие ток от сети к статору. В этом случае меняется порядок следования фаз АВС на АСВ или ВАС и поток вращается в об­ратную сторону.

Ротор двигателя вращается с асинхронной частотой n₂, поэтому и дви­гатель называется асинхронным. Частоту вращения магнитного потока называют синхронной частотой n₁. Частота вращения ротора

где f — частота сети; S — скольжение; 2р — число пар полюсов статора.

Теоретически скольжение меняется от 1 до 0 или от 100 до 0%, так как при неподвижном роторе в первый момент пуска n₂=0, а если вооб­разить, что ротор вращается синхронно с потоком, n₂=n₁.

Чем больше нагрузка на валу, тем меньше скорость ротора n₂ и, зна­чит, больше S, так как больший тормозной момент должен уравновесить­ся вращающим моментом; последнее возможно только при увеличении Е₂ и I₂, а значит, и S. Скольжение при номинальной нагрузке S, у асинхрон­ных двигателей равно от 1 до 7%; меньшая цифра относится к мощным двигателям.

Номинальные данные асинхронного двигателя.

Полезная мощность, на которую рассчитан двигатель по условиям нагрева и безаварийной длительной работы, называется номинальной. Все величины, характеризующие работу двигателя при номинальной мощности, называются номинальными. Номинальные данные двигателя указываются в паспортной табличке, прикрепленной к корпусу двига­теля.

В паспорте приводятся следующие данные: тип двигателя; число фаз — m; частота тока — f, Гц; полезная мощность на валу — Р, кВт; ли­нейное напряжение — U, В; схема соединения фаз; линейный ток — I, А;

к.п.д. — η, %; частота вращения ротора — n, об/мин; коэффициент мощ­ности — cosφ; режим работы; класс изоляции; завод-изготовитель; год выпуска; масса двигателя.

Электрические величины, перечисленные в паспортной табличке дви­гателя, связаны следующей формулой, кВт:

Физические процессы в асинхронном двигателе.

Вращающийся магнитный поток двигателя пересекает обмотки ротора и статора и наводит в них электродвижущие силы — э.д.с. Э.д.с. фазы статора определяется по формуле, В

где f₁ — частота тока в обмотке статора, Гц;

W₁ — число витков фазы статора;

К_об1 — обмоточный коэффициент обмотки статора;

Ф — магнитный поток, Вб.

Обмоточный коэффициент обычно близок к единице (0,85—0,97).

Э.д.с. фазы ротора, В

частота тока в обмотке ротора меньше, чем в обмотке статора. Объясня­ется это тем, что обмотка статора пересекается потоком с частотой вра­щения n₁; а обмотка ротора — с частотой вращения n. Частоты тока ротора и статора связаны зависимостью

Отношение э.д.с. фазы статора к э.д.с. фазы неподвижного ротора на­зывается коэффициентом трансформации э.д.с.:

Отношение роторного тока при пуске двигателя (S=l) к статорному называется коэффициентом трансформации токов:

где I₁, I₂ — токи в обмотке статора и ротора;

m₁, m₂ — число фаз статора и ротора.

Для двигателя с фазным ротором m₁= m₂= 3.

Для двигателя с короткозамкнутым ротором m₂=Z₂,

где: Z₂ - число пазов ротора.

При пуске двигателя э.д.с. фазы ротора имеет максимальное значение, так как S = 1 и по замкнутой обмотке ротора течет очень большой ток. Большой роторный ток при пуске вызывает соответственно пусковой ток в статорной обмотке, который в 5—7 раз больше номинального. Затем скольжение уменьшается, величина э.д.с. в роторе падает и уменьшается ток в обмотках ротора и статора. При работе без нагрузки частота вращения ротора близка к частоте поля, скольжение близко к нулю и ро­торный ток очень мал, так как мала э.д.с.

Ток в обмотке статора при холостом ходе двигателя является намаг­ничивающим, и его величина 0,2—0,6 номи-нального.

Значительная величина тока холостого хода объясняется наличием воздушного зазора между активной сталью статора и ротора. По мере нагрузки двигателя ротор притормаживается, скольжение и э.д.с. ротора увеличиваются, что приводит к увеличению роторного и статорного то­ков.

Вращающий момент асинхронного двигателя возникает в результате. взаимодействия вращающего магнитного потока и роторного тока и мо­жет быть определен по формуле, Н∙м:

где Ф — магнитный поток, Вб;

ψ₂ — угол между э.д.с. ротора и током ротора.

При нормальных режимах работы двигателя можно считать, что

cosψ₂=1.

Обозначив постоянные величины в формуле момента через С_м, полу­чим, Н∙м:

При постоянном напряжении сети поток двигателя Ф мало изменяет­ся и момент зависит от величины роторного тока, а роторный ток зави­сит от скольжения и, следовательно, момент двигателя зависит от сколь­жения. Номинальный момент двигателя может быть определен по фор­муле, кг∙м:

Номинальный момент двигателя — это момент на валу двигателя.

Момент двигателя измеряют в ньютонометрах (Н-м) или в килограм­мометрах (кг-м). Ньютонометр меньше килограммометра в 9,81 раза.

Дата добавления: 2014-01-04