2 Асинхронные двигатели
2.1 Принцип действия асинхронного двигателя (ад)
Основным видом асинхронного двигателя является трехфазный двигатель. Его распространение началось с тех пор, как выдающийся инженер фирмы AEG Доливо- Добровольский доказал, что, если имеется три однофазных синусоидальных тока с амплитудой I0
IA=I0sin t, 2.1
IВ=I0sin ( t+ 1200),
IС=I0sin ( t - 1200),
сдвинутых по фазе на 1200, и эти токи подать соответственно в три одинаковые катушки, расположенные по кругу и сдвинутые в пространстве на 1200, то эти токи создадут суммарный магнитный поток Фm = 1,5 ФI (где ФI амплитудное значение магнитного потока каждой катушки), вращающийся по кругу с круговой частотой =2 f. Точно такое же соотношение справедливо для вектора магнитной индукции В. Такая система называется вращающимся магнитным полем. До Доливо-Добровольского многие выдающиеся ученые и изобретатели пытались создать вращающееся магнитное поле. Но им в голову не приходило, что для этого достаточно трех синусоидальных токов. В дальнейшем было доказано, что вращающееся магнитное поле можно получить не только в соответствии с 2.1, но и другими способами.
Вращающееся магнитное поле может быть круговым и эллиптическим (рис.2.1). Круговое вращающееся магнитное поле создается, если, как описано выше, векторы магнитной индукции каждой фазы одинаковы. Круговое вращающееся магнитное поле может быть получено и другим путем, например, с помощью двух катушек, расположенных на статоре под углом 900, по которым протекают токи, сдвинутые друг относительно друга по фазе тоже на 900 и МДС этих катушек равны.
Если какое-нибудь условие не соблюдается, то вращающееся поле становится эллиптическим, т.е. вектор магнитной индукции вращается неравномерно и в процессе вращения меняет свою величину, описывая своим концом эллипс. Если катушки, образующие поле, расположены на одной прямой, вращающееся поле не образуется. Получается пульсирующее поле. Вектор магнитной индукции пульсирующего магнитного поля расположен на одной прямой, не меняющей своего положения в пространстве. Под действием такого поля тоже может возникать вращающий момент.
Рисунок 2.1 Виды магнитных полей АД
Если расположить проводник во вращающемся магнитном поле, в нем возникнет ЭДС. Проводники располагают по окружности полюсов катушек и соединяют в торцах двигателя кольцевыми проводниками. Возникающие в проводниках токи короткого замыкания создают свое магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся полем, вызывая вращение проводников. Скорость вращения проводников должна быть меньше скорости вращающегося поля. В противном случае в проводниках не буде возникать ЭДС.
2.2 Устройство ад
АД состоит из двух основных частей—ротора и статора. Обмотки статора располагают в продольных пазах шихтованного сердечника, который запрессовывают в чугунный или алюминиевый корпус. На наружной поверхности корпуса выполнены ребра, служащие для охлаждения двигателя.
Обмотка подчиняется следующим требованиям.
ЭДС, наводимая в обмотке током сети, должна быть синусоидальной формы.
Расход меди должен быть наименьшим.
3. Технологичность, т.е. возможность упрощения и автоматизации изготовления двигателя. Невыполнение хотя бы одного из требований приводит к ухудшению качества двигателя. Например, невыполнение второго требования приводит к образованию высших гармоник, вызывающих потери мощности двигателя, перенапряжение и т.д.
Обмотка каждой фазы образует полюса. Минимальное число полюсов два. Они входят в одну пару р. Число полюсов статора 2р. Часть окружности статора, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением. Полюсное деление
2.2
где D—внутренний диаметр сердечника.
Элементы катушки бывают пазовыми и лобовыми. Пазовые части уложены в пазы вдоль статора, лобовые—с торцов для обратного хода провода. Лобовые части в силовых процессах не участвуют. Для наглядного изображения катушек пользуются развернутыми схемами обмоток. Обмотки бывают сосредоточенными и распределенными. В первом случае все обмотки одной фазы, приходящиеся на один полюс, укладываются в два паза, образуя катушку. В распределенных обмотках провода одной катушки равномерно уложены в разных пазах. Катушки одной фазы, соединенные последовательно и создающие один полюс, образуют катушечную группу. Катушка каждой катушечной группы занимает четыре, шесть и более пазов. Обычно применяют распределенные обмотки с укороченным шагом, т.е. провод катушки возвращается не в тот паз, с которого начался, а со смещением (рис. 2.2). На рисунке статор, имеющий двенадцать пазов и два полюсных деления , развернут в линию. Показано соединение двух катушечных групп фазы А, при котором конец первой катушечной группы (К1А) соединен с концом второй катушечной группы (К2А), а начала групп Н1А и Н2А являются началом и концом катушек фазы А.
Рисунок 2.2 Развернутая схема распределенной обмотки фазы А.
Первая катушечная группа занимает пазы 1,2 и 7,8, вторая –7,8 и 1,2. В каждом пазу уложено два провода (шины), образуя двухслойную обмотку. Наибольшее распространение двухслойных обмоток в АД объясняется тем, что в них форма ЭДС наиболее приближена к синусоидальной. В пазах 3…6 и 9…12 укладываются обмотки фаз В и С со сдвигом в 1200: катушечные группы фазы В займут пазы 3,4 и 9, 10, а фазы С—5,6 и 11,12.
Катушки, образующие фазы двигателя, имеют стандартные обозначения (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Обозначение фазы |
Обозначение начала |
Обозначение концов |
А |
С1 |
С4 |
В |
С2 |
С5 |
С |
С3 |
С6 |
В трехфазном двигателе обмотки статора можно соединить звездой или треугольником. На рис. 2.3а показано соединение катушек звездой, на рис. 2.3б—треугольником. Там же показаны напряжения UФ на катушках, соответствующих .фазам двигателя, и соединения концов катушек. Если поменять местами концы одной из катушек, двигатель начнет вращаться в противоположную сторону.
Обмотка статора должна быть изолирована от корпуса. Изоляция должна быть прочной как электрически, так и механически, быть нагревостойкой и занимать минимальный объем.
Рисунок 2.3 Соединение катушек асинхронного двигателя.
На роторе расположены продольные проводники, которые в торцевых частях соединяются между собой кольцевыми проводниками. Такой короткозамкнутый ротор носит название «беличья клетка» или «беличье колесо» (рис. 2.4). Ротор изготавливается в виде шихтованного цилиндра из электротехнической стали, на поверхности которого выполнены продольные пазы, заполненные путем заливки проводящим материалом (сплав алюминия). Одновременно с заливкой проводников на торцах отливаются кольца, замыкающие проводники. Вместе с заливкой «беличьей клетки» отливаются и вентиляционные лопатки, создающие центробежный вентилятор.
Рисунок 2.4 Ротор асинхронного двигателя
Вся конструкция напрессовывается на вал, который вращается в подшипниках, закрепленных в переднем и заднем щитах .
В настоящее время выпускается большое число серий АД. Наиболее распространенной является серия АИР.