Методическое пособие 687

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Цель работы

1.Изучить принцип действия асинхронного двигателя.

2.Изучить конструкцию асинхронного двигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя

На практике асинхронные машины используются главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока, которые находят широкое применение в народном хозяйстве. По сравнению с остальными электрическими двигателями они обладают преимуществами с точки зрения их стоимости, габаритных размеров и надежности в работе. Асинхронные двигатели потребляют более 40 % всей электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране.

Низковольтные (220, 380 и 660 В) трехфазные асинхронные двигатели общего назначения у нас в стране выпускаются в виде единых всесоюзных серий со строго нарастающими основными параметрами мощностью и геометрическими размерами. Это способствует внедрению прогрессивной технологии производства электрических машин и повышению уровня унификации сборочных единиц и деталей.

Первая серия асинхронных двигателей А-АО мощностью от 0,6 до 100 кВт была внедрена в 1949-51 годах. А в 1952-56 годах была разработана серия высоковольтных двигателей А-АК (с короткозамкнутым и фазным роторами)

51

мощностью от 100 до 1000 кВт. С развитием электропривода возникла необходимость в увеличении числа ступеней шкалы мощностей и в улучшении массо-габаритных и энергетических показателей электрических машин. Это привело к созданию новых серий асинхронных двигателей А2-А02 мощностью от 0,6 до 100 кВт и А2-АК2 и АО2-АОК2 мощностью от 100 до 1000 кВт.

В настоящее время в России разработана и внедрена новая серия асинхронных двигателей «Российская асинхронная» (РА) общего назначения с высотами оси вращения 50 355 мм и мощностью от 0,06 до 400 кВт. Шкала мощностей и установочные размеры электродвигателей данной серии базируются на рекомендациях Международной электротехнической комиссии (МЭК).

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей – неподвижной и вращающейся. Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся часть – ротором.

Обращенные друг к другу цилиндрические поверхности статора и ротора имеют пазы, в которых помещаются проводники обмоток.

Название асинхронных машин обусловлено тем, что ротор вращается несинхронно (асинхронно) по отношению к вращающемуся магнитному полю машины.

Работа асинхронного двигателя основана на принципе электромагнитного взаимодействия между вращающимся магнитным полем машины и токами, наводимыми в обмотке ротора при пересечении её проводников вращающимся полем.

52

Обмотка статора асинхронной машины при питании её трехфазным током создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого:

где n1 – синхронная частота вращения магнитного поля, об/мин;

f1 – частота напряжения сети, Гц;

р число пар полюсов обмотки статора.

Это поле при своем вращении, если ротор неподвижен, индуктирует в проводниках обмотки ротора электродвижущие силы. Если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи, которые создают свое вращающееся магнитное поле. Магнитные поля статора и ротора вращаются синхронно и образуют общий вращающийся магнитный поток двигателя. В данном случае можно предполагать, что электродвижущая сила в обмотке ротора, индуктируется общим потоком. В результате взаимодействия токов ротора с потоком машины возникают действующие на проводники ротора механические силы и вращающий электромагнитный момент, который стремится повернуть ротор в направлении вращения поля.

Рис. 5.1. Магнитное поле АД

53

Действительно, как показано на рис. 5.1, магнитное поле машины, вращаясь с частотой n1, индуктирует в проводниках обмотки ротора электродвижущие силы. Направление электродвижущей силы определяется правилом правой руки. Если допустить, что проводник ротора замкнут

иобладает только активным сопротивлением, то ток в проводнике будет совпадать, с направлением э.д.с. Взаимодействие этого тока с полем машины создает электромагнитную силу, действие которой направлено в сторону вращения поля. Сумма всех сил, действующих на проводники обмотки ротора, образует электромагнитный момент двигателя.

Частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения поля, так как при их равенстве отсутствует электромагнитное взаимодействие между статором и ротором

иэлектродвижущие силы в проводниках обмотки ротора не индуктируются. Поэтому в асинхронных двигателях ротор вращается с некоторым отставанием относительно поля машины. Относительная разность частот поля и ротора называется скольжением и определяется выражением:

то есть двигательный режим асинхронной машины имеет место при скольжении 0 < s < 1.

При вращении ротора асинхронной машины (например, каким-либо двигателем) в сторону вращения поля, но с большей частотой вращения, изменится направление э.д.с. и токов в проводниках обмотки ротора, то есть асинхронная машина переходит в генераторный режим. В этом режиме асинхронная машина получает механическую энергию от

54

первичного двигателя, преобразует её в электрическую и отдает в сеть. Генераторный режим в асинхронной машине наблюдается при скольжении s < 0.

Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля, то направление э.д.с. и токов в проводниках обмотки ротора сохранятся. Электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения поля, но будет тормозить вращение ротора. Такой режим называется режимом противовключения, или режимом электромагнитного тормоза. Он имеет место в асинхронной машине при скольжении s > 1.

Устройство асинхронного двигателя

Части электрической машины, непосредственно предназначенные для энергопреобразования процесса, называются активными частями. К ним относятся магнитопроводы и проводники обмоток статора и ротора. Все остальные детали и узлы электрической машины называются конструктивными частями.

Электрические машины по степени защиты обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями и защиты самой машины от попадания внутрь твердых посторонних предметов выполняются согласно установленным требованиям ГОСТ 17494-72. Многолетняя практика эксплуатации электродвигателей единых серий общего назначения показала, что для асинхронных электродвигателей вполне достаточным является применение двух степеней защиты: в защищенном исполнении (IP23) с внутренней вентиляцией и в закрытом исполнении (IP44) с внешним обдувом. На практике наибольшее распространение

55

получили асинхронные двигатели с короткозамкнутой или фазной обмоткой на роторе.

На рис. 5.2 показан общий вид асинхронного короткозамкнутого двигателя серии 4А закрытого исполнения. Эти двигатели просты в производстве и надежны в эксплуатации. Они обладают жесткой механической характеристикой. При изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего лишь на 2-3 %, что удовлетворяет требованиям электроприводов различных механизмов. Основные недостатки данных двигателей: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов при пуске, в 5-7 раз превышающих номинальный ток.

Статор двигателя состоит из магнитопровода 3, набранного в виде пакета из изолированных пластин электротехнической стали, трехфазной обмотки 7 и станины 5. Пластины пакета штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм и изолируются с обеих сторон лаком. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью стяжных скоб. При наружном диаметре более одного метра пакет набирается из отдельных сегментов.

Трехфазная обмотка статора 7 выполняется одноили двухслойной из медных проводников круглого сечения или прямоугольного сечения для машин большой мощности (свыше 250 кВт). Витки катушек обмоток укладываются в изолированные пазы пакета магнитопровода. Обмотка закрепляется в пазах с помощью клиньев из изолированного материала. Концы обмотки с помощью выводной коробки 1 присоединяются к сети переменного тока. Станина 5 двигателя выполняет только конструктивные функции,

56

фиксируя пакет магнитопровода в определенном положении. Станина отливается из алюминиевых сплавов, из чугуна или выполняется сварной из стальных пластин. Ротор двигателя состоит из магнитопровода 4, в пазах которого размещается короткозамкнутая обмотка 15, вала 11 и вентилятора 10. Магнитопровод ротора набирается в виде пакета, из кольцевых листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В полузакрытые (или закрытые) пазы пакета заливаются алюминиевые стержни обмотки, замыкающиеся накоротко с двух сторон торцевыми кольцами 6. Заодно с короткозамыкающими кольцами отливаются вентиляционные лопатки 8. Вал 11 ротора, обычно изготавливаемый из стали марки 45, опирается на подшипники качения 13, которые с помощью подшипниковых крышек 12 и подшипниковых щитов 14 сопрягаются со станиной 5. Воздушный зазор между магнитопроводами статора и ротора в асинхронных двигателях не превышает 0,3 1,0 мм, поэтому вал должен обладать достаточной прочностью, а механическая обработка конструктивных частей производится с высокой точностью.

Внешний обдув двигателя создается вентилятором 10. Подъем двигателя при монтаже производится с помощью рым-болта 2.

Асинхронные двигатели с фазным ротором отличаются от короткозамкнутых только устройством ротора. В этом случае в полузакрытых пазах пакета ротора размещается трехфазная стержневая обмотка, соединенная обычно в звезду.

57

Свободные концы обмотки выводятся через отверстие в валу и присоединяются к контактным кольцам. С помощью щеточного устройства обмотка соединяется с добавочным активным сопротивлением (пусковым или регулировочным реостатом).

В большинстве случаев добавочное активное сопротивление вводят в обмотку ротора только при пуске асинхронного двигателя, так как это приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко.

Порядок выполнения работы

1.Произвести разборку асинхронного двигателя.

2.Выполнить эскизы с необходимым количеством разрезов следующих деталей: статора, ротора, подшипниковых щитов.

3.Дать краткое описание устройства машины и области её применения.

4.Изобразить электрическую схему включения.

5.Произвести сборку машины.

В заключении отчета необходимо сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы:

1.Чем объяснить широкое применение асинхронных двигателей в народном хозяйстве?

2.В чем конструктивное различие асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутым роторами?

3.Как улучшить пусковые свойства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

59

4.В чем заключается разница работы асинхронной машины в режиме двигателя и в режиме генератора?

5.Какие типы обмоток статора наиболее широко применяются в асинхронных двигателях?

Контрольные вопросы для домашней подготовки

1.Конструктивное исполнение статора асинхронной машины.

2.Конструктивное исполнение короткозамкнутого

ротора.

3.Конструктивное исполнение ротора с фазной обмоткой. Назначение контактных колец.

4.Конструкция и назначение подшипниковых щитов. Выбор типа подшипников.

5.Способы пуска асинхронных двигателей.

6.Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

7.Принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором.

8.Как уменьшить потери в стали асинхронных машин?

9.Схемы включения трехфазных обмоток статора в сеть. Обозначение начал и концов фаз обмотки статора.

10.Порядок разборки и сборки асинхронной машины.

60