Асинхронные машины (ам)

1. Устройство и принцип действия асинхронных машин.

У асинхронных машин ротор состоит из, насаженного на вал, сердечника с обмоткой, токи в которой индуктируются или наводятся. Сердечник набирается из листов стали кольцевой формы с наружным диаметром D₂ и внутренним D_B. Чаще листы ротора изготовляются из электротехнической стали, но могут быть и из конструкционной. Пазы расположены на наружной поверхности сердечника и, как и пазы статора, обращены в сторону воздушного зазора 8 между статором и ротором. Способ изготовления листов сердечников — штамповка. Обмотка ротора может быть типа фазной, как у статора, или, конструктивно, иной. В первом случае она соединяется с неподвижными внешними устройствами посредством скользящего контакта между тремя (реже четырьмя) вращающимися кольцами и наложенными на них неподвижными щётками. Стальные кольца, насаженные на вал через изоляционные втулки, соединяются с обмоткой ротора, а щётки, изготовленные из материала на основе графита, соединяются с клеммами на щитке статора. Для обеспечения надёжного контакта щётки притёрты к кольцам и прижимаются к ним пружинами. Подобные АД называются двигателями с фазным ротором или двигателями с контактными кольцами, рис. 2.1, а.

Рис. 2.1. Ротор асинхронной машины

Наибольшее распространение получили АД с короткозамкнутой обмоткой ротора типа «беличья клетка», рис. 2.1, б. Клетка, рис. 2.1, в, состоит из медных или латунных стержней, размещённых в пазах ротора и приваренных по торцам к короткозамыкающим кольцам. При применении сплавов алюминия она изготавливается путём литья под давлением. Часто стержни и кольца отливаются вместе с крыльями вентилятора, рис. 2.1, г. В этой обмотке стержни и кольца не изолируются от сердечника. Существует много видов короткозамкнутых обмоток ротора. Если сердечник не шихтованный, то эта обмотка может полностью отсутствовать, её роль будет выполнять массив сердечника, а индуктированные в нем вихревые токи - функцию тока обмотки ротора. В машинах малой мощности иногда применяется гальваническое омеднение наружной поверхности сердечника ротора, по которой, в основном, и протекают вихревые токи. У асинхронных машин систем автоматики, с целью снижения момента инерции, ротор выполняется в виде полого стакана, как из ферромагнитного, гак и из не ферромагнитного материала. Таким образом, у асинхронных машин понятие «обмотка ротора» достаточно условное, и расчёт её параметров для конкретной конструкции не простая задача. Токи в обмотке ротора наводятся переменным магнитным полем статора, подобно вторичным токам трансформатора. Поэтому обмотка статора асинхронных машин, по аналогии с ТР, часто называется первичной, а обмотка ротора — вторичной. Токи ротора создают магнитное поле ротора с числом полюсов, равным числу полюсов статора, при этом положение полюсов ротора жёстко не фиксируется на сердечнике, а происходит их перемещение по его поверхности с определенной скоростью, зависящей от скорости вращения ротора. Кроме активной части машина имеет ряд конструктивных элементов: корпус, торцевые щиты, подшипники (в щитах или стояковые), элементы вентиляции и пр. На рис. 2.2 приведён чертёж продольного разреза асинхронного двигателя с фазным ротором.

Рис. 2.2. Асинхронный двигатель с фазным ротором

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создаёт напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС.

В соответствии с законом Ампера электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.

Где I – сила тока в проводнике, B – магнитная индукция, l – длина проводника, α – угол между линиями магнитного поля и направляющей проводника.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, вследствие чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задаётся законом Ленца, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и приводит его во вращение. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведённой на него ЭДС такая же, как частота питания.

В асинхронных машинах магнитное поле ротора создаётся токами, которые не подводятся извне, как в СМ, а индуктируются в роторной обмотке, подобно вторичному току трансформатора. Для возникновения этих токов должно изменяться потокосцепление обмотки ротора с полем статора, что возможно лишь при неравенстве скоростей вращения ротора, с его обмоткой, и поля статора:

Ω ≠ Ω₁, n ≠ n₁ (1.1.13)

Частота тока в обмотке ротора зависит от разности частот вращения поля и ротора. По аналогии с (1.1.11):

Здесь безразмерная величина

называется скольжением. Эго относительная величина тот вращения ноля и ротора. Из (1.1.15) следует:

Характерные точки:

1) s=0, — при синхронном вращении поля и ротора;

2) s = 1, n=0 — при пуске в ход.

Диапазон изменения скольжения теоретически (+∞>s>-∞), а практически определяется максимально допустимой по механическим условиям частотой вращения ротора: от - n_mах до + n_mах.

Частота вращения поля ротора относительно обмотки или сердечника ротора, т. е. в роторной системе координат, и его угловая скорость, аналогично (1.1.10), (1.1.11):

Соотношение (1.1.14) придаёт знаки «+» или «-» частоте токов и ЭДС ротора f₂, это приводит к появлению аналогичных знаков в (1.1.17), что связано со следующими обстоятельствами.

При s> 0 положительная скорость f₂> 0 означает, что поле ротора вращается в направлении от оси фазы а к оси фазы b. Для этого токи ротора должны образовывать прямую последовательность. При s<0 отрицательная скорость f₂<0 означает, что направление вращения поля ротора противоположное: от оси фазы b к оси фазы а, когда токи ротора образуют обратную последовательность.

Частота вращения поля ротора относительно обмотки или сердечника статора, в статорной системе: п₂ + п = п₁. Снова поля ротора и статора неподвижны относительно друг друга и, как и в синхронных машинах, образуют общее вращающееся магнитное поле.

При этом, в работающей асинхронной машине скольжение не может быть =0, так как тогда , а это значит, что

Асинхронная машина может работать в 3 режимах: режим ротора, режим генератора, режим противовключения (режим Электромагнитного тормоза). В этих режимах скольжение и момент на валу эл. машины различны:

Мысленно спрямим поверхность ротора и отобразим распределение ЭМаг. индукции и направления сил, действующих на проводники обмотки.

Ψ₂ – начальная фаза тока статора. Из данной диаграммы следует, что только активный ток создаёт электромагнитный момент. Если по обмоткам статора течёт чисто реактивный ток, момент на валу электрической машины будет =0.