Область применения, конструкция и принцип работы трехфазных асинхронных двигателей

Асинхронные машины

Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная бесколлекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель. Причины исключительно широкого распространения асинхронного двигателя (а вместе с ним и трехфазной системы) — его простота и дешевизна. Можно сказать, что в основном асинхронная машина состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещенных на общем сердечнике, и помещенной между ними четвертой, вращающейся катушки. В машине отсутствуют какие-либо легко повреждающиеся или быстро изнашивающиеся электрические части (например, коллектор).

Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.

Общий недостаток асинхронных машин — это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.

Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока предназначенный для привода во вращение различных механизмов. То есть он преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую. Асинхронные двигатели являются бесконтактными, т.е. не содержат щеточно-коллекторного узла. Они используются для привода различных механизмов (органов управления полетом, лебедок и т.п.), в системах перекачки топлива, в автоматических системах управления, в различных системах автоматики, счетно-решающих устройствах, в приборном оборудовании. Диапазон их мощностей составляет 0,1 – 40 кВА.

Конструкция асинхронного двигателя.

По числу фазных обмоток, расположенных на статоре, асинхронные двигатели подразделяют на трехфазные, двухфазные и однофазные.

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части (статора) и подвижной части (ротора). Ротор, укрепленный на валу, может свободно вращаться внутри статора на подшипниках.

Рис. Электромагнитная схема асинхронного двигателя и направление его электромагнитного момента

Статор асинхронного двигателя состоит из сердечника 1, собранного из листов электротехнической стали и закрепленного в корпусе из алюминиевого сплава 2. На внутренней поверхности сердечника статора в пазах располагается трехфазная обмотка. Оси фаз обмоток сдвинуты относительно друг друга на угол 120⁰ и могут соединяться в “звезду” или в “треугольник”. К фазам обмотки, от источника переменного тока, подводится трехфазное напряжение (также сдвинутое по фазе на 120⁰).

Рис. 1.

Устройство ротора. Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник (рис.1, 2, а), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка коротко-замкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки (рис. 1, 2 б) из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (так называемое "беличье колесо"). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контактны­ми кольцами (рис. 2, в), выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же чистом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их соединяются с тремя

Рис.2

контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях.

Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату. Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить условия пуска двигателя — уменьшить пусковой ток и увеличить начальный вращающий момент, кроме того, при помощи реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

На схемах асинхронные машины с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором обозначаются следующим образом:

а) б)

Принцип работы (основан на возбуждении вращающегося магнитного поля трехфазной системой токов).

На трехфазную обмотку статора подается трехфазное переменное напряжение. Под действием этого напряжения по обмоткам фаз начинает протекать ток. Ток каждой фазы создает свое магнитное поле. Магнитные потоки фаз суммируются, образуя единый магнитный поток. Рассмотрим магнитный поток в различные моменты времени.

Рис 3

На рисунке 3 показан график трехфазного тока, протекающего по фазной обмоткам и магнитное поле, создаваемое этими токами. Условимся за положительное направление тока в фазе принимать направление от ее начала (АВС) к концу (XYZ).

ti	ωt	iA	iВ	iC
t1		iA = 0	iВ < 0	iC > 0
t2	120^0	iA > 0	iВ = 0	iC < 0
t3	240^0	iA < 0	iВ > 0	iC = 0
t4	360^0	iA = 0	iВ < 0	iC > 0

Применив правило буравчика, определим направление магнитного поля, создаваемое каждой фазой в определенные моменты времени. Геометрически сложив потоки всех фаз, получим направление результирующего (единого) магнитного потока.

Частота и направление вращения магнитного поля

Из рисунка видно, что в разные моменты времени направление магнитного поля различно, но за один период поле совершает один оборот.

Число оборотов поля в минуту равно:

n₁ = 60 · f, (1)

где f – частота переменного напряжения.

При нескольких парах полюсов

n₁ = 60 · f/р, (2)

где р – число пар полюсов.

Таким образом, трехфазный (сдвинутый по фазе на 120⁰) ток, протекающий по обмоткам (сдвинутым в пространстве на угол 120⁰), создает вращающее магнитное поле. Причем поле имеет форму круга, т.е. в разные моменты времени поле по величине одинаково, но направлено в разные стороны.

Вращающееся магнитное поле статора пересекает стержни обмотки ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них (стержнях беличьей клетки) ЭДС Е₂. Направление ЭДС в проводниках (стержнях) определяется правилом правой руки.

Так как стержни обмотки ротора замкнуты накоротко медными кольцами, то по стержням через кольца потечет ток I₂, направление которого совпадает с направлением Е₂. (Хотя за счет индуктивности обмотки ротора ток I₂ отстает от Е₂ на небольшой угол Ψ). Взаимодействие тока I₂ c вращающимся магнитным потоком Ф приводит к появлению электромагнитных сил F_эм, действующих на проводники обмотки ротора (закон Ампера).

Направление сил определяется правилом левой руки. Под действием этих сил создается вращающий момент(электромагнитный момент).

М_вр = С_м · Ф · I₂ · cosψ

и ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля с частотой n₂.

Принцип работы асинхронного двигателя (общая схема)

Скольжение

Частота n₂ < n₁, поэтому двигатель называют АСИНХРОННЫМ (асинхронный – несовпадающий). Разность скоростей вращения называют частотой скольжения n_s.

n_s = n₁ – n₂. (3)

На практике используют такое понятие как скольжение S.

. (4)

При заторможенном (остановленном) роторе (n₂ = 0) скольжение максимально S = 1. При n₂ = n₁ скольжение равно нулю S = 0 (это уже синхронный режим, т.к. частота вращения ротора n₂ равна частоте вращения магнитного поля).

Практически в асинхронных двигателях при номинальной нагрузке на валу S = 0,01 – 0,1.

Дата добавления: 2014-01-14