Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель (АД). Принцип действия его основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и индуцированного тока ротора.

АД выпускается в двух вариантах исполнения ротора: короткозамкнутый и фазный.

Рассмотрим устройство и принцип действия двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электро­технической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

a) б)

1 - статор; 2 - ротор; 3 - вал; 4 - витки обмотки статора;

5 - витки обмотки ротора

Рис.52 Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а);

обмотка ротора(б)

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рис.52,б). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.

Рассмотрим процесс. Пусть магнитное поле вращается «по часовой стрелке», тогда в стержнях цилиндра ротора будет наводится ЭДС

,

Где В – индукция в зазоре, L – длина стержня, υ– линейная скорость стержня, равная (ω_{вр.стат} – ω_рот)D/2.

Эта ЭДС вызовет в стержне ток

,

Где R_с – активное сопротивление стержня; х_с - реактивное сопротивление стержня.

Этот ток, взаимодействуя с полем статора, по закону Ампера образует силу,

действующую на стержень

.

Сила образует на валу ротора момент стержня М_с = F_c D/2. Сумма всех

моментов стержней образует суммарный момент на валу.

М_вр = Σ М_с

Однако, чем ближе скорость ротора n_p к скорости вращающегося магнитного поля n_с, тем меньше ЭДС, индуктируемые полем в роторе, а, следовательно, токи в роторе и момент. Если скорости вращения сравняются, то момент исчезнет, поэтому основным условием работы является отставание частоты вращения ротора от частоты вращения поля статора (асинхронный)

Убывание токов уменьшает вращающий момент Мвр, воздействующий на ротор, поэтому ротор двигателя должен вращаться медленнее вращающегося магнитного поля - асинхронно.

При увеличении механической нагрузки асинхронного двигателя тормозящий момент на валу становится больше вращающегося и скольжение S возрастает.

Увеличение скольжения вызывает возрастание ЭДС и токов в обмотке ротора, благодаря чему увеличивается вращающий момент М_вр и восстанавливается динамическое равновесие вращающего Мвр и тормозящего М_т моментов:

М_вр=М_т.

Таким образом, увеличение нагрузки асинхронного двигателя вызывает увеличение его скольжения.

У современных асинхронных двигателей скольжение даже при пол­ной нагрузке невелико - около 0,04 (четыре процента) у малых и около 0,015-0,02 (полтора-два процента) у крупных двигателей.

Характерная кривая зависимости М от скольжения S показана на рис.53,а.

Максимум вращающегося момента разделяет кривую М = f(S) на устойчивую часть от 0 до S_k и неустойчивую часть от S_k до S = 1.

На участке от 0 до S_k при уменьшении тормозящего момента М_т на валу асинхронного двигателя увеличивается скорость вращения, скольжение уменьшается и уменьшается электромагнитный момент, так что на этом участке работа асинхронного двигателя устойчива.

На участке от S_k до S = 1 с уменьшением М_т скорость вращения уменьшается, скольжение увеличивается и вращающий момент увеличивается, нарушается условие равенства моментов и двигатель останавливается.

Для практики большое значение имеет зависимость скорости двигателя n_p от нагрузки на валу n_p = F(M). Эта зависимость, как мы установили ранее, носит название механической характеристики (рис.53,б).

a) б)

Рис. 53 - Зависимость вращающего момента на валу асинхронного двигателя от скольжения (а) и механическая характеристика (б)

Если при изменении момента скорость вращения мало изменяется, то такая хорактеристика считается жесткой. Такую характеристику желательно иметь для главного привода металлорежущего станка. При перегрузке свыше максимального момента М_max двигатель входит в область неустойчивого режима и останавливается. Отношение М_max/M_ном носит название перегрузочной способности, и у двигателей нормальной серии находится в пределах (1,8-2,6) М_ном.

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам: простоте устройства; высокой надежности в эксплуатации; низкой стоимости.

С помощью асинхронных двигателей приводятся в движение подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы. Особенно много асинхронных двигателей на станках, там они выполняют различные функции: зажима планшайбы, перемещение люнета, зажим резца и многое др.

КПД АД. Работу АД можно пояснит следующей энергетической диаграммой (рис. 54).

Рис.54

Таким образом, двигатель получает из сети Р_ст. На статоре теряется энергия на нагрев проводов (Р_{пр. ст.}) и в стали, за счет вихревых токов и перемагничивания (Р_ст). На ротор переходит так называемая электромагнитная мощность (Р_эл). На роторе она теряется на нагрев проводов (Р_пр) и другие потери: на трение, на вентиляцию, зубцовые и пр. (Р_доп). Отношение (Р_в/Р_ст) = η и есть КПД. Для двигателей свыше одного кВт он находится в пределах (75-95)%.

Пуск асинхронного двигателя. Заметим, что асинхронный двигатель в момент запуска представляет собой трансформатор с большим воздушным зазором (2-3 мм). Поэтому ток статора зависит и определяется током ротора. Уменьшение тока ротора автоматически ведет к уменьшению тока статора. Так как в номинальном режиме частота тока в роторе мала, то отсутствует реактивное сопротивление ротора, и ток ротора определяется только активным сопротивлением. В режиме же пуска, пока ротор не развернулся, частота тока 50 Гц и ток определяется активной и реактивной составляющими сопротивления (реактивное по величине больше).

Поэтому пусковой ток только в 5-7раз превышает номинальный и АС двигатели чаще всего запускаются напрямую из сети, не используя специальные пусковые устройства.

Реверс асинхронного двигателя осуществляется изменением направления вращения поля статора. В свою очередь, для изменения вращения поля, нужно изменить чередование фаз. Это достигается перекрещиванием двух фаз как показано на рис. 55,б. На рис. 55,а показано обозначение асинхронного трехфазного короткозамкнутого двигателя.

Дата добавления: 2014-01-06