Учебное пособие 800401

Рис. 3.2 [5]

Рис. 3.3 [8]

Ротор 5 (рис. 3.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора 1 (рис. 3.3) набирается из листов электротехнической стали и крепится на валу 2 (рис. 3.3) двигателя, листы изолируются друг от друга окалиной, образующийся в процессе прокатки. Листы ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотка.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе.

101

Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с короткозамкнутой клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Существуют и другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля).

Короткозамкнутая обмотка ротора 3 (рис. 3.3) обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику. Такую короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьей клеткой».

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 и 9 (рис. 3.1), называемых подшипниковыми. Подшипниковые щиты крепятся к станине 7 (рис. 3.1) при помощи болтов.

Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, ин-

102

дуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.

ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЫВОДОВ ФАЗ ОБМОТКИ

Выводы обмоток статора маркируются и подсоединяются к зажимам клеммной кородки, расположенной в клемной коробке 4 (рис. 3.1). На клеммной кородке шесть клемм обозначены символами начала и концов фаз.

Схемы соединения фаз обмотки статора звездой (а) и треугольником (б) и соответствующие им схемы подключения к сети показаны на рис. 3.4.

В паспорте двигателя указывают способ соединения фаз -/ 220/380 В. Это означает, что при подключении двигателя к трехфазной сети с линейным напряжением 220 В фазы его обмотки должны быть соединены по схеме «треугольник» (рис. 3.4, б). При подключении к трехфазной сети с линейным напряжением 380 В – по схеме «звезда» (рис. 3.4, а). Выводы обмоток подсоединяются к зажимным клеммам щитка клеммой коробки двигателя. По международным стандартам начала и концы фаз обозначаются соответственно: для фазы A – U1 и

U2; для фазы B – V1 и V2; для фазы C – W1 и W2. По устаревшим отечественным стандартам начала и концы фаз обозна-

чаются С1 и С4 – в фазе A; С2 и С5 – в фазе B; С3 и С6 – в фазе С.

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Работа асинхронного двигателя основана на взаимодействии электрического тока, протекающего в обмотке ротора, с вращающимся магнитным полем, возбуждаемым обмотками статора. Конструктивная схема сердечника статора с сосредоточенными обмотками показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5 [6] 104

Оси трёх фазных обмоток статора смещены в пространстве по окружности пакета на 1200, а пазы с концами обмоток (X, Y, Z) отстоят от пазов, в которые уложены их начала (A, В, C) на 1800. При подключении обмоток к трёхфазному источнику питания, протекающие в них токи

iA(t)=Imsin(ωt), iB(t)=Imsin(ωt-120°), iC(t)=Imsin(ωt+120°),

возбуждают магнитные поля, оси которых совпадают с осями обмоток, а максимальные значения индукции изменяются во времени по синусоидальным законам

BA(t)=Bmsin(ωt), BB(t)=Bmsin(ωt-120°), BC(t)=Bmsin(ωt+120°).

Поля отдельных обмоток суммируются в пространстве внутри сердечника и образуют единое магнитное поле статора. Картину этого поля схематично можно проследить по нескольким точкам на рис. 3.6.

Рис. 3.6 [6] 105

Обозначим положительное направление тока в обмотке знаком «+» в точке её начала и знаком «•» в точке конца. Тогда для состояния 1 в пазах сердечника A, Y и C будет одно направление тока в проводниках, а в пазах Z, B и X другое. Общая картина магнитного поля для текущего момента будет соответствовать двум магнитным потокам, охватывающим пазы с одинаковыми направлениями токов, поэтому ось поля для состояния «1» будет направлена под углом 300 к оси AX. Такими же построениями можно определить, что через 1/6 часть периода магнитное поле сместится на 600 в положительном направлении, а за один период частоты сети – на 3600.

Имеем, что в любой точке внутренней окружности статора, смещённой на угол α относительно оси обмотки фазы A, магнитная индукция изменяется во времени по закону

B(α)= (3/2) Bmsin(ωt - α°).

Таким образом, для точки, движущейся по окружности с угловой частотой Ω1=ω1, тогда α=Ω1t=ω1t, следовательно sin(ω1t − ω1t) =1, имеем, что магнитная индукция будет оставаться постоянной и равной Вmax=(3/2)Bm, где Bm – максимальное значение индукции поля, возбуждаемого одной обмоткой. Следовательно, магнитное поле вращается внутри пакета статора с угловой частотой Ω1=ω1=2πf1, определяемой частотой источника питания статорных обмоток f1. Годограф вектора индукции представляет собой окружность, поэтому поле называется круговым.

Направление вращения поля определяется порядком чередования фаз. При переключении любой пары обмоток направление вращения поля меняется на противоположное.

Если вдвое увеличить число пазов сердечника и, разделив каждую обмотку на две части, поместить её в пазы так, чтобы начала и концы половин обмоток находились в пазах, смещённых по окружности статора на 900, то при подключении к сети образуется магнитное поле с двойным числом полюсов. За один период частоты питания оно будет перемещаться в пространстве на 1800, т.е. частота его вращения будет в два ра-

106

за меньше. Проведя аналогичные построения картины магнитного поля для обмоток, разделённых на p частей, можно убедиться, что при этом будут возбуждаться поля с числом пар магнитных полюсов равным p и угловая частота вращения поля будет уменьшаться в p раз, т.е.

Ω1 = ω1 / p,

где ω1 – частота питающей сети, может обозначаться и

как ω0;

p – число пар полюсов обмотки статора.

Частоту вращения называют скоростью вращения и измеряют во внесистемных единицах – оборотах в минуту. Тогда частоту вращения можно представить в виде

n1 = 60 f1 / p ,

где n1 – скорость вращения магнитного поля, может обозначаться и как n0 об/мин;

f1 – частота питающей сети, Гц.

При частоте промышленной сети 50 Гц возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля: 3000, 1500,

1000, 750, 600…об/мин [6].

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Принцип действия асинхронного двигателя показан на рис. 3.7. На нём круговое вращающееся магнитное поле изображено в виде вращающихся полюсов постоянного магнита. Это представление является полной физической аналогией магнитного поля возбуждаемого обмотками статора и может использоваться всегда для наглядного отображения электромеханического взаимодействия.

Поместим в пространство между полюсами замкнутый проводник в виде прямоугольной рамки, подвешенной на оси OO/, вокруг которой вращается магнитное поле. Движение поля относительно рамки вызывает появление в ней ЭДС, а т.к. рамка замкнута, то под действием ЭДС в ней возникает электрический ток. Рамка с протекающим по ней током испытывает ме-

107

ханическое воздействие со стороны магнитного поля, приводящее её во вращение.

Рис. 3.7 [6]

Воздействие магнитного поля на рамку вращающего момента возможно только при наличии тока в рамке, который, в свою очередь, возникает в результате того, что магнитное поле движется относительно рамки. При равенстве скоростей вращения Ω1= Ω, т.е. при синхронном вращении, поле будет неподвижно относительно рамки и не создаст вращающего момента потому что, в рамке не будет индуцироваться ток. Таким образом, устройство, показанное на рис. 3.7, работоспособно только при асинхронном движении поля и рамки и является простейшим асинхронным двигателем.

Вращающий момент в модели на рис. 3.7 можно увеличить, если вместо одной установить на оси несколько рамок. В результате образуется конструкция, состоящая из продольных стержней и замыкающих их по краям колец, называемая «беличья клетка» (см. рис. 3.3). Электромагнитная сила, создающая вращающий момент, пропорциональна величине магнитной индукции, зависящей, при прочих равных условиях, от

108

магнитных сопротивлений цепи, по которой замыкается магнитный поток. Главной составляющей магнитного сопротивления на пути потока являются воздушные зазоры, поэтому их необходимо заполнить ферромагнетиком. Эту функцию выполняет сердечник ротора (см. рис. 3.3)..

При анализе процессов в асинхронном двигателе и в справочных данных используют понятие скольжения

или в других обозначениях частот и скоростей вращения

как разности между скоростями вращения магнитного поля статора и ротора, отнесённой к скорости вращения поля. При известной частоте сети и числе пар полюсов по скольжению можно определить скорость вращения.

Скольжение при неподвижном роторе (n=0) равно единице, а при синхронном вращении (n=n1 или n=n0) – нулю. Скорость или частота вращения магнитного поля называется также синхронной скоростью (частотой), т.к. ротор при этой скорости вращается синхронно с полем. Синхронный режим работы асинхронного двигателя называется идеальным холостым ходом. Он возможен только в том случае, если ротор приводится во вращение другим двигателем или механизмом, присоединённым к валу [6].

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Механической характеристикой асинхронного двигателя принято называть зависимость электромагнитного момента М от скольжения M=f(s) или n=f(M).

Для двигателей средней и большой мощности механическую характеристику строят по упрощенной формуле Клосса,

109

позволяющей использовать паспортные данные двигателя

где Мкр – критический или максимальный момент двигателя;

= 0 и скольжение s =

1.Таким образом, в двигательном режиме частота вращения ро-

тора и его скольжение изменяются в пределах ω0 ω 0 ;

n0 n 0 ; 0 s 1.

Частота вращения ротора

ω = ω0 (1 - s); n = n0 (1 - s).

110