15. Принцип работы и устройство асинхронных машин.

Н еподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть — ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали, которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора — на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипниковых стояках. На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной, присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу. Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. Другая разновидность обмотки ротора — обмотка в виде беличьей клетки. При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до 100 кВт стержни и кольца вместе с крылышками для вентиляции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием. Такая асинхронная машина называется машиной с кз ротором (машины мал и сред мощности). Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. В машинах мощностью в несколько киловатт зазор составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — несколько миллиметров. Принцип действия асинхронной машины. Магнитный поток Ф₁ создаваемый обмоткой статора, при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с. е₁₂₎ и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи i₂, частота которых f₂ при неподвижном роторе (п = 0) равна первичной частоте f₁. Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, число полюсов 2p, направление и скорость вращения которого при п = 0 такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индуктируется многофазная система токов i₂ со сдвигом в соседних стержнях по фазе на угол где Z₂ — число стержней ротора. Эти токи также создают вращающийся поток Ф2, число полюсов, направление и скорость вращения которого являются такими же, как и у потока фазного ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники, ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М. В верхней части рис. показаны вращающаяся со скоростью синусоидальная волна общего магнитного поля В машины и направления э. д. с. е₂, индуктируемых этим полем в стержнях неподвижного короткозамкнутого ротора. В нижней части рис. показаны направления токов стержней i₂ и действующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз между е₂ и i₂ равен нулю и когда = 90°.

При = 0 все силы действуют в сторону вращения поля. Поэтому вращающий момент отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля. В то же время при = 90°. силы действуют в разные стороны и М = 0. Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора . Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает определенным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя (п = 0) всегда 0 < < 90°. В результате развиваемый момент М > 0, и если он больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью п <п₁ т. е. будет вращаться с некоторым отставанием, или скольжением, относительно поля статора. Относительная разность скоростей вращения поля и ротора называется скольжением. Скольжение выражается также в процентах: . Скорость ротора n, выраженная через скольжение s, равна При пуске двигателя (n = 0) имеем s = 1, а при вращении ротора синхронного с полем статора или с синхронной скоростью (n =n₁) будет s = 0. При n =n₁ магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда 0 <n<n₁ и l>s>0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей n₁ — n и частота тока в обмотке ротора . Тогда получим, что т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению. При частоте тока f₂ < f₁ скорость вращения поля ротора относительно самого ротора n_2p также меньше n₁ и Скорость вращения поля ротора относительно статора т. е. скорость вращения поля ротора относительно статора при любой скорости вращения ротора n равна скорости вращения поля статора n₁. Поэтому поля статора и ротора при вращающемся роторе также вращаются всегда синхронно и образуют общее вращающееся поле. Если ротор асинхронной машины с помощью внешней силы (вращающего момента) привести во вращение в направлении вращения поля статора со скоростью выше синхронной (п>n₁), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов по сравнению с изображенными изменяются на обратные (при этом будет работать в режиме генератора и отдавать -активную мощность в сеть). В режиме генератора s <; 0. Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора (п < 0), то указанные направления e₂, i₂ и F сохраняются. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но будет тормозить вращение ротора. Этот режим работы асинхронной машины называется режимом противовключения или режимом электромагнитного тормоза. В этом режиме s > 1.