2.3 Электродвигатели переменного тока

Источник питания переменного тока может быть однофазным (0 и фаза) и трехфазным (0 и 3 фазы); двухфазные источники не применяются.

2.3.1 Трехфазные асинхронные электродвигатели

Принцип действия асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии двух электромагнитных полей – вращающегося электромагнитного поля статора, создаваемого обмоткой статора и поля, создаваемого обмоткой ротора.

По трем обмоткам A, B, C статора протекают токи, изменяющиеся по гармоническому закону (рис. 2.13) и сдвинутые друг относительно друга на фазовый угол 2/3 или на 1/3 периода T = 1/f, где f – частота изменения тока; при f = 50 Гц, T = 1/50 с. Магнитопровод и обмотки статора устроены таким образом, что наводимое в магнитопроводе магнитное поле циркулирует (вращается) внутри статора, т. е. север и юг переходят с одного полюса статора на другой. Вращение электромагнитного поля статора поясняется на рис. 2.13.

Направление тока в обмотке определяет направление силовых линий магнитного поля “север-юг” в магнитопроводе. Видим, что при трехфазном питании электромагнитное поле перемещается (вращается) внутри статора.

T

0

Рис. 2.13. Вращение электромагнитного поля статора

Если поле перемещается на угол (делает один оборот) за время Т (период), то скорость вращения

(2.8)

где – частота изменения тока в обмотках А, В, С.

Число полюсов статора может быть 2 (“север-юг”, как показано на рис. 2.13), 4, 6, …; соответственно поле за один период будет поворачиваться на угол 2, 2/2, 2/3… . При этом скорость вращения

(2.9)

где n_п – число полюсов статора,

p – число пар полюсов (“север – юг”) статора.

Так как то частота n₀ в об/мин (или 1/мин) равна

(2.10)

Ротор имеет короткозамкнутую обмотку типа «беличье колесо». Поле статора при вращении пересекает проводники ротора и, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, наводит в них ЭДС. По проводникам ротора начинает течь ток. Направление тока определяется правилом правой руки. Электромагнитное поле, создаваемое этим током, взаимодействует с полем статора. На проводники ротора действует сила Ампера, и ротор начинает вращаться, но с частотой меньшей, чем частота вращения поля. Наблюдается так называемое скольжение S – отставание по частоте вращения ротора от поля статора:

(2.11)

где ω или n – частота вращения ротора, рад/с или 1/мин.

Наличие скольжения в асинхронном двигателе изначально необходимо, так как только в этом случае возникает ток в обмотке ротора. В противном случае, при равенстве скоростей поле статора не пересекало бы проводники ротора.

2.3.2 Устройство асинхронного двигателя

Так же, как и электрические двигатели других типов, асинхронный двигатель имеет ротор и статор (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Асинхронный двигатель:

1 – ротор; 2 – статор

Статор двигателя (рис. 2.15) содержит сердечник-магнитопровод 1 и три обмотки 2. Каждая обмотка содержит много катушек. Сердечник чаще всего, но не всегда, заключен в корпус 3. Концы обмоток выведены в клеммную коробку 4.

Рис. 2.15. Статор асинхронного двигателя:

1 – сердечник; 2 – обмотка; 3 – корпус; 4 – клеммная коробка; 5 – выступ

Сердечник 1 сделан из тонких листов электротехнической (магнитомягкой) стали. Листы имеют изолирующее покрытие и собраны в пакет. Такая конструкция исключает появление токов Фуко, разогревающих сердечник. В листах сердечника имеются пазы, в которых находятся провода обмоток 2. По торцам сердечника расположены лобовые (не рабочие) части обмоток. Число полюсов 2p (или пар полюсов p) и частота питающего напряжения определяют так называемую синхронную, без учета скольжения, скорость двигателя. При частоте f = 50 Гц стандартные синхронные скорости двигателей равны:

n₀ = 3000 об/мин при р = 1;

n₀ = 1500 об/мин при р = 2 (самые распространенные двигатели);

n₀ = 1000 об/мин при р = 3;n₀ = 750 об/мин при р = 4.

Действительная, номинальная скорость двигателей отличается от синхронной на 50…300 об/мин. Например, при n₀ = 3000 об/мин скорость двигателя может быть n_дв = 2800 об/мин.

К

воздух

орпус 3 чаще всего изготавливают из алюминиевого сплава и оснащают ребрами для увеличения поверхности теплоотдачи. Магнитопровод ротора двигателя (рис. 2.16) так же, как и статор, выполнен шихтованным (послойно собранным) из листов 1 электротехнической стали.

4

3

ток

5

2

1

2

АА

2

Рис. 2.16. Магнитопровод ротора асинхронного двигателя:

1 – лист; 2 – стержень; 3 – колесо; 4 – кожух; 5 – ребро

Обмотка ротора имеет вид алюминиевых стержней 2, замкнутых по концам ротора алюминиевыми кольцами, – короткозамкнутая обмотка типа «беличье колесо».

Охлаждение двигателя осуществляется, как правило, путем самовентиляции. Для этого на второй, не рабочий конец вала насаживают колесо 3 центробежного вентилятора. Кожух 4 организует поток воздуха от вентилятора вдоль ребер 5 корпуса статора. Если двигатель используется при малых скоростях вращения и собственный центробежный вентилятор не эффективен, двигатель охлаждают внешним вентилятором.

Двигатель можно включить в сеть по разным схемам (рис. 2.17). В табличке на корпусе каждого двигателя обозначается, какому напряжению (220 В, 380 В) должно соответствовать то или иное включение обмоток. На этой же табличке обозначают типоразмер двигателя, номинальные мощность, скорость, ток, коэффициент мощности cos φ (зависит от индуктивности обмотки), относительную продолжительность включения ПВ, тип защиты, класс изоляции.

а б

Рис. 2.17. Схемы включения асинхронного двигателя:

а – треугольником (); б – звездой ( )

Важно помнить, что при одинаковой мощности размеры двигателя (диаметр D) существенно зависят от номинальной скорости (рис. 2.18), т. к. мощность

(2.12)

где F_∑ – сумма магнитодвижущих сил.

Поэтому (при ).

n₀ = 750 об/мин n₀ = 1500 об/мин n₀ = 3000 об/мин

Рис. 2.18. Соотношение номинальной скорости и размеров двигателя

При питании двигателя от стандартной сети f = 50 Гц, скорость двигателя не может быть больше n₀ = 3000 об/мин, соответственно есть предел уменьшения габаритов. Дальнейшее уменьшение габаритов возможно при питании с частотой более 50 Гц. Например, в самолетах бортовая сеть имеет частоту 400 Гц.