Часть 2

Асинхронные машины

§ 1. Принцип действия и конструктивные особенности асинхронной машины.

Асинхронные машины (АМ) относятся к вращающимся преобразователям электроэнергии в механическую или обратно. Так как использование механической энергии возможно лишь в движении (наиболее удобная форма которого - вращение), то АМ должна иметь вращающуюся часть - т.н. ротор , а также неподвижную часть - статор.

Между этими частями машины и должно проявляться силовое взаимодействие - в режиме асинхронного двигателя (АД) на ротор должны действовать силы, обеспечивающие преодоление момента приложенного к валу ротора извне; в режиме асинхронного генератора (АГ) такие же по природе силы должны уравновесить приложенный к машине (вращающий её) момент от внешнего источника механической энергии. Это взаимодействие обеспечивается магнитными полями статора и ротора.

Таким образом, как на статоре так и на роторе АМ должны быть выполнены обмотки - т.е. системы проводников, токи которых и образуют магнитные поля статора и ротора.

Конструктивно статор АМ представляет собой полый цилиндр (рис 1) из ферромагнетика, на внутренней поверхности которого(в пазах) уложены проводники, образующие обмотку статора. Их соединение между собой выполняется особым образом (принципы построения обмоток АМ изучаются в специальном разделе курса), так что после присоединения статора к трехфазной сети поле, образуемое токами статора, является вращающимся и распределенным вдоль зазора машины по синусоидальному закону. Из курса ТОЭ следует, что скорость вращения такого поля определяется частотой сети f₁ и составляет

(1)

При частоте сети 50 Гц эта скорость составляет 3000, 1500, 1000, 750 и т.д. (об/мин). Таким образом, при достаточно мощной сети поле статора АМ всегда имеет строго постоянную или т.н. синхронную скорость вращения. В дальнейшем мы будем полагать, что АМ независимо от режима работы связана через статор с сетью бесконечно большой мощности.

Для получения высокой концентрации магнитного поля в пространстве зазора материалом статора служит специальная электротехническая сталь (шихтованная, в пакетах - аналогично конструкции магнитопровода силового трансформатора). Из этого же материала выполняется и вторая часть АМ - её ротор. Здесь на поверхности сплошного стального цилиндра в пазах выполняется обмотка ротора. Нетрудно понять, что силовое взаимодействие магнитных полей статора и ротора, а значит и эффективность преобразования энергии в машине будут наибольшими, если оба поля будут иметь равные скорости вращения (т.е. будут неподвижными друг относительно друга), одинаковое распределение вдоль зазора машины, равные числа полюсов - т.е. поле ротора будет "зеркальной копией" поля статора.

Наиболее просто выполняются все эти условия в том случае, если контур ротора будет замкнут сам на себя (или на пассивную внешнюю цепь).Тогда при выполнении еще одного важного условия : скорость ротора не равна скорости поля статора это последнее будет пересекать контур обмоток ротора с частотой

(2)

и создавать в этих контурах э.д.с. и токи с этой же частотой.

В соответствии с принципом Ленца:

Поле, созданное токами ротора, будет являться точной копией поля статора - с тем же распределением вдоль зазора, той же скоростью вращения, но с противоположной полярностью полюсов.

Конструктивно обмотка ротора АМ может быть выполнена в одном из вариантов:

а) по образцу обмотки статора - с выводом трех концов на кольца, укрепленные на валу ротора с помощью специальных электродов (щеток). В этом варианте можно осуществлять контакт ротора с внешними устройствами; этот вариант называют фазным ротором;

б) в виде стержней (алюминиевых или медных), уложенных в пазах ротора и соединенных с торцов ротора кольцами из того же материала; этот вариант называют короткозамкнутым ротором.

Таким образом, основной особенностью АМ является то, что поле ротора создается токами, индуктированными (наведенными) в его обмотке результирующим полем машины, причем это поле является круговым, вращающимся с синхронной скоростью n₁ и распределенным вдоль зазора по синусоидальному закону. Однако существование токов в роторе, т.е. возможность силового взаимодействия полей статора и ротора, возможно лишь при условии

Одной из важнейших величин, описывающих режим работы АМ, является относительная разность скоростей результирующего поля и самого ротора или т.н. скольжение

(3)

Разумеется, что при неподвижном роторе s = 1 , при n > n₁, s < 0 и т.д., т.е. скольжение может принимать любые значения в зависимости от величины скорости ротора и направления его вращения по отношению к результирующему полю.