Контрольные вопросы

1. Объясните, как пульсирующую намагничивающую силу (НС) однофазной обмотки асинхронной машины можно (аналитическим и гра­фическим методом) разложить на две вращающиеся НС.

2. Объясните возникновение вращающегося магнитного поля в трехфазной машине.

3. Опишите, какие процессы происходят в трех­фазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и объясните, почему скорость вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля.

4. Объясните возникновение вращающегося магнитного поля в двухфазной машине.

5. Перечислите и поясните устройство обмоток статора машин переменного тока.

Тема 2 Устройство и принцип действия асинхронных машин переменного тока

2.1 Устройство асинхронного двигателя (АД)

Неподвижная часть – статор, вращающаяся – ротор. Сердечники статора и ротора набираются из листовой стали (см. раздел 1, вихревые токи).

На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток соответственно статора (рисунок и ротора. Обмотка статора присоединяется к внешней электрической сети (двух- или трехфазной) непосредственно, а обмотка ротора - с помощью контактных колец (аналог коллектора ЭМ=Т) - соответственно двух или трех, в зависимости от числа фаз этой обмотки - и скользящих по ним щеток выводится наружу. Это - машина с фазным ротором (рисунок ).

Обмотка ротора АД другого типа (рисунок ) не имеет связи с внешними электрическими цепями, т.е. не нуждается в контактных кольцах, и выполняется в виде т. наз. "беличьей клетки", конструкцию которой очень напоминает (рисунок ). В каждом пазу ротора находится медный (чаще – алюминиевый) стержень; торцы всех стержней электрически соединены между собой с обеих торцевых сторон ротора кольцами из такого же материала, что и стержни, замыкающими эти стержни накоротко. Такая АМ называется машиной с короткозамкнутым ротором.

В АД малой и средней мощности стержни и торцевые кольца вместе с лопастями вентилятора воздушного охлаждения выполняются путем заливки углублений на поверхности ротора расплавленным алюминием. Это - наиболее часто используемый тип АД.

Часто АМ выполняют со скосом пазов ротора или статора для снижения высокочастотных зубцовых пульсаций, как и в М=Т.

2.2 Принцип действия АМ

Магнитный поток Ф₁, создаваемый током i₁ c частотой f₁ обмотки статора, при своем вращении со скоростью n₁ (в пространстве внутри машины) пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, в ней возникают токи i₂, частота которых при неподвижном роторе совпадает с частотой f₁ (в машинах переменного тока принято всем электрическим, магнитным и механическим величинам, относящимся к статору, присваивать индекс "1", а относящимся к ротору – "2" (за исключением механической скорости вращения ротора, обозначаемой всегда буквой "n" без индекса); соответствующим индексом обозначаются скорости вращения магнитных полей – иногда ( n₂=n) они совпадает с механической скоростью вращения ротора n, иногда – нет).

В трехфазной обмотке ротора ток i₂ – так же, как и в статоре, трехфазный, с той же частотой. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, направление и скорость вращения n₂ которого при неподвижном роторе такие же, как и у потока статора:

Поэтому потоки статора и ротора вращаются синхронно и образуют общий вращающийся магнитный поток СМ Ф.

В результате взаимодействие токов ротора и созданного ими магнитного потока Ф₂ с потоком статора Ф₁ возникают механические силы и вращающий момент М. Несколько облегчает понимание этого явления представление возникающего механического момента как аналогии взаимодействия двух постоянных магнитов: два полюса одного из них (магнитное поле статора) вращаются относительно магнитных полюсов другого (магнитное поле ротора), пытаясь увлечь "магнит" ротора за собой.

ЭДС электромагнитной индукции и токи, протекающие вследствие наличия этих ЭДС в обмотках машин переменного тока, могут быть из-за реактивного характера сопротивлений обмоток и подключенных к ним элементов сдвинуты по фазе на угол φ.

На рисунке показаны две ситуации: в первой ЭДС ротора е₂ и ток ротора i₂ совпадают по фазе (φ₂ = 0). При φ₂ = 0 все силы F_i, действующие на проводники обмотки ротора, направлены в сторону вращения поля, а суммарный электромагнитный момент, действующий на проводники и, соответственно, на удерживающий их ротор радиусом r_a,

.

При φ₂=90º силы F_i действуют в противоположные стороны, и суммарный их момент М=0. Таким образом, вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора.

Цепь ротора АД всегда имеет определенное активное сопротивление, поэтому при пуске (механическая скорость вращения ротора n = 0) возникает пусковой момент M_п > 0, и если М_п > М_в (статический тормозящий момент на валу, создаваемый полезной нагрузкой АД), ротор придет во вращение в направлении вращающегося поля с некоторой скоростью n < n₁, т.е. будет вращаться с некоторым отставанием (скольжением) относительно поля статора.

Относительная разность скорости вращения поля и ротора называется скольжением:

,

или .

При пуске АД S=1, n=0. При синхронном вращении (скорость вращения поля статора и механическая скорость вращения ротора одинаковы, т.е. n₁ = n) скольжение S = 0.

Но при n=n₁ магнитное поле статора относительно ротора становиться неподвижным, и токи в роторе индуцироваться не будут, следовательно, вынуждающий ротор вращаться момент становится равным нулю – начинается торможение). Поэтому такой скорости (синхронной) АД достичь не может, и в режиме двигателя всегда выполняются соотношения: 0 < n < n₁, а 1 > S > 0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем Ф проводников ротора пропорциональна разности скоростей поля n₁ и ротора n (от f₁  при n = 0 до 0 при n = n₁). Поэтому частота тока i₂ в роторе (при числе пар полюсов p = 1)

.

Подставляя в это соотношение (см. выше), получим

.

При скорость вращения поля ротора относительно самого ротора

,

а скорость вращения поля ротора относительно статора

.

Таким образом, скорость вращения поля ротора относительно статора всегда равна скорости вращения поля статора – магнитные поля статора и ротора АД имеют одну и ту же скорость (см. приведенную выше аналогию с магнитом, увлекаемым в движение вращающимся магнитным полем).

Если ротор АМ привести во вращение с помощью внешней силы по направлению вращения поля, причем создать скорость ротора больше, чем скорость вращения поля статора, направления электромагнитных сил и момента М изменятся на противоположные. Момент М, действующий на ротор асинхронной машины, при этом будет тормозящим, а машина переходит в режим генератора и отдает мощность в сеть: при скольжение .

Если ротор асинхронной машины вращать в направлении, противоположном направлению вращения поля статора (n < 0), то электромагнитный момент М будет действовать на ротор в сторону вращения поля статора, но будет тормозящим. Это – режим электромагнитного тормоза (n < 0, S > 1).