5 Асинхронные машины
5.1 Устройство и принцип работы асинхронных машин
АД имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором (рис.5.1). Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части - конструктивные.
Магнитопровод АД выполняют шихтованным из листов электротехнической стали. По магнитопроводу замыкается переменный магнитный поток, создаваемый токами обмоток АД. Статор АД запрессован в литую станину (рис.5.2, а), изготовленную либо из алюминия, либо из чугуна. В пазах на внутренней поверхности шихтованного статора располагают трехфазную обмотку. Назначение обмотки статора – создание вращающегося магнитного поля статора Фст. Ротор АД состоит из сердечника (рис.5.2, б), напрессованного на вал. В пазы ротора укладывают обмотку либо в виде проволочных катушек, либо в виде стержней с замыкающими по торцам кольцами (типа "беличье колесо").
Рисунок 5.1 – Конструктивная схема АД: 1 – статор, 2 – обмотка статора, 3 – воздушный зазор, 4 – ротор, 5 – обмотка ротора, 6 – подшипники, 7 – щитки, 8 – вал, 9 – вентилятор, 10 -станина
Рисунок 5.2 – Устройство статора (а) и ротора (б): 1 – станина, 2 – пакет статора и 3 – ротора, 4 – вал
Принцип действия трехфазного АД. Рассмотрим один короткозамкнутый виток ротора, помещенный во вращающееся магнитное поле статора (рис.5.3). Поле статора Фст вращается с частотой ω0, ротор вращается с частотой ω. В зависимости от соотношения между частотами ω0 и ω АД может работать либо в режиме двигателя, либо в режиме тормоза.
Двигательный режим работы возникает тогда, ротор вращается в ту же сторону, что и поле статора Фст, причем ротор вращается медленнее: ω<ω0. (рис.5.3,а). Пусть поле Фст чуть повернулось относительно ротора. Тогда количество линий магнитного потока статора Фст, пронизывающих контур ротора, увеличится. В контуре ротора возникнет индукционная э.д.с. е, и так как контур короткозамкнутый, то в нём потечет индукционный ток iинд. Индукционный ток iинд создаст индукционное магнитное поле Финд контура. Направление потока Финд, определенное по правилу Ленца, будет такими, каким показано на рис.5.3,а. Зная направление индукционного потока Финд, используя правило буравчика, находим индукционный ток iинд. Взаимодействие индукционного тока iинд с магнитным полем статора Фст создаст механическую силу F, действующие на стороны короткозамкнутой рамки ротора. Направления сил F, определенных по правилу левой руки, будет совпадающим с направлением вращения ротора.
Рисунок 5.3 – Работа АД в двигательном (а) и тормозном (б) режимах
Тормозной режим работы возникает тогда, когда ротор вращается в ту же сторону, что и поле статора Фст, но ротор вращается быстрее: ω>ω0. (рис.5.3, б). При малейшем провороте ротора относительно поля Фст количество линий магнитного потока статора Фст, пронизывающих контур ротора, уменьшится. Далее, повторяя все рассуждения, примененные к рис.5.3, а, находим, что силы F будут направлены навстречу направлению вращения ротора.
Из вышеприведенного вытекает важная закономерность: независимо от режима работы АД и, соответственно, от соотношения между частотами ω0 и ω, ротор стремится вращаться с одинаковой частотой с полем статора Фст. Однако полного совпадения частот ω0 и ω не будет никогда. Для доказательства этого, предположим, что частоты вращения ω0 и ω совпадут. Тогда поле статора Фст для любого короткозамкнутого витка ротора будет неизменным. Если не будет изменения магнитного потока, пронизывающего контур ротора, то не будет индукционной э.д.с. е и, далее, не будет индукционного тока iинд. Значит, не будет механической силы F, приложенной к ротору. Ротор в двигательном режиме затормозится силами трения в подшипниках, аэродинамической силой вентилятора и т.п. Частота вращения ротора ω понизится. Вновь появятся механические силы F, действующие на ротор и заставляющие его вращаться без дальнейшего понижения частоты вращения ω. В тормозном режиме внешние силы, заставляющие ротор вращаться быстрее поля Фст, разгонят его до частоты ω, превышающей ω0. Значит, ротор АД вращается не синхронно с полем статора и это объясняет название двигателя как асинхронного.