Электрические машины асинхронные машины. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Кафедра электротехники и информационно-измерительных систем

И.С. Попова

Электрические машины

Асинхронные машины

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2017

УДК 621.3 П58

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин

Попова И.С.

П58 Электрические машины : асинхронные машины : учеб. пособие / И.С. Попова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 27 с.

Представлена классификация электрических машин по назначению, принципу работы, конструктивному исполнению и способу монтажа. Подробно рассмотрены устройство, принцип работы, способы регулирования скорости, потери мощности и КПД асинхронных двигателей.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в энергосбережении».

УДК 621.3

И.С. Попова, 2017НИТУ «МИСиС», 2017

2

3

Введение

Асинхронные машины – это машины переменного тока. Слово «асинхронный» означает не синхронный или не одновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных машин частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Асинхронные машины, как и все электрические машины, обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Асинхронные двигатели имеют значительные преимущества по своим свойствам, характеристикам и эксплуатационным данным перед двигателями других типов. Такие двигатели могут быть однофазными, двухфазными и трёхфазными; наибольшее распространение имеют трёхфазные двигатели, которые в основном и рассматриваются в данной теме.

Асинхронные генераторы практически почти не применяются, так как иххарактеристикизначительнохуже, чемусинхронныхгенераторов.

Трёхфазные двигатели изобретены выдающимся русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Конструкция двигателя, предложенная М.О. Доливо-Добровольским, была настолько проста, надёжна и экономична, что в основных чертах сохранилась до настоящего времени (см. рисунок).

Трёхфазный асинхронный двигатель

Подавляющее число электрических двигателей, используемых в промышленности, энергетике и других областях, являются асин-

4

хронными. Они широко применяются в станках, вентиляторах, насосах, автоматических системах и т.д. Диапазон мощностей асинхронных двигателей, выпускаемых промышленностью, составляет от долей ватта до тысяч киловатт.

Машины мощностью более 0,5 кВт выполняются обычно на трёхфазное напряжение. Основными достоинствами асинхронными двигателями являются высокая надёжность в работе и низкая стоимость. Благодаря этим преимуществам они получили широкое применение в электроприводе прокатных станов (рольганги и другие вспомогательные механизмы), волочильных станов, кузнечнопрессовых машин и др.

Асинхронные двигатели мощностью до 500 Вт выполняют однофазными. Микродвигатели применяют в системах автоматики, бытовых приборах и др.

5

1. Устройство трёхфазного асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) состоитиз статора и ротора (рис. 1). Статор состоит из чугунной станины 1, в которой закреплён магнитопровод 2 (сердечник из изолированных друг от друга листов 0,5 мм электротехнической стали) в виде полого цилиндра. По внутренней окружности сердечника вырезаны пазы, в которых укладывается обмотка 3. В зависимости от способа соединения обмоток различают двухполюсные и многополюсные машины. У двухполюсных ма-

шин обмотка статора состоит из трёх катушек, сдвинутых на 120 , у четырёхполюсных – из шести катушек с углом 60 .

Рис. 1. Модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку 4, которая может быть короткозамкнутой или фазной. Наиболее распространена короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки. Она состоит из проводящих стержней (медь, алюминий), соединённых по торцам медным или алюминиевыми кольцами 5. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Фазная обмотка изолирована от ротора, концы её выводятся на контактные кольца ичерез щёткиво внешнюю цепь (рис. 2).

6

ММ

аб

Рис. 2. Условное изображение асинхронного двигателя:

а– с короткозамкнутым ротором; б – с фазным ротором

2.Вращающееся магнитное поле

Кстаторной обмотке подключается трёхфазное синусоидальное напряжение (рис. 3).

Рис. 3. Временные диаграммы трёхфазного напряжения и магнитной индукции

В каждой катушке будет создаваться магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции. На рис. 3 показаны направления векторов при положительных значениях токов в каждой фазе.

7

Рассмотрим мгновенные значения BA , BB , BС и результирующую

индукцию для моментов времени: 0, π/2, π, 3/2π.

Очевидно, что результирующий вектор магнитной индукции, оставаясь по величине равным 1,5Вmax, вращается с угловой скоростью по часовой стрелке при чередовании фаз А, В, С. Если две фазы поменять местами, то направление вращенияизменится напротивоположное.

Таким образом, при подключении трёхфазного напряжения в статоре образуется вращающееся магнитное поле.

Ток, проходя по катушке, создает переменный магнитный поток, направленный по оси катушки в положительном или отрицательном направлении. Мгновенное значение результирующего потока ф машины равно сумме мгновенных значений потоков фаз, т.е.

Построим векторы потоков для моментов времени t1–t6 как показано на рис. 4.

Рис. 4. Векторные диаграммы магнитных потоков.

В момент времени t1 → iA(t1) = 0, следовательно, ФА(t1) = 0, так как ФB(t1) < 0, то ФВ(t1) направлен по оси катушки BY в отрицательном направлении. Поскольку ФC(t1) > 0, то ФС(t1) направлен по оси катушки CZ

8

в положительном направлении. Поскольку│iB(t1) │=│iC(t1)│, что следует из свойства симметричной трёхфазной системы токов, то │ФB(t1)│= │ФC(t1)│ и вектор Ф(t1) направлен вертикально вниз. Осуществляя аналогичные построения для моментов времени t2, t3, t4 убедимся, что за время, равное половине периода тока в фазе обмотки вектор результирующего потока Фрез повернётся в пространстве

на угол 180 , а за время, равное периоду тока T = 1/f1, он повернется

на 360 или сделает один полный оборот. Длина (модуль) вектора результирующего потока сохраняется при этом постоянной и равной 3/2 от амплитуды потока любой из фаз машины.

Таким образом, в том случае, если каждая фаза обмотки представлена в машине одной катушкой, то при питании фаз симметричной трехфазной системой токов, меняющихся с частотой f1, в рабочем объеме машины образуется круговое магнитное поле, вращающееся с частотой f1 или с частотой вращения n1, об/мин

Рассмотренное поле эквивалентно полю двух полюсов магнита, вращающихся в пространстве с частотой n1. Для организации такого поля в машине с двухфазной обмоткой необходимо сдвинуть в про-

странстве геометрические оси фазных катушек на 90 и организовать

сдвиг по фазе токов в фазных катушках на 90 .

Результирующее магнитное поле совершает один оборот за один период тока для двухполюсной машины. Но в статоре можно создать и многополюсное поле. Для этой цели увеличивается количество катушек во столько раз, во сколько увеличится число пар полюсов.

Частота вращения магнитного поля с двумя парами полюсов будет в два раза меньше, чем у двухполюсной машины, так как за один период изменениятоков полюсыповорачиваются наугол, равный180 .

Частота вращения поля статора, об/мин

где f – частота напряжения сети; р – число пар полюсов.

3. Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия АД рассмотрим на примере машины с короткозамкнутым ротором. Подключаем к обмоткам статора трёхфазное напряжение, в статоре создаётся вращающееся магнитное поле (рис. 5).

9

Это поле по закону электромагнитной индукции наводит ЭДС в обмотках ротора. Если обмотки ротора замкнуты, то по проводникам будут протекать токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся магнитным потоком по закону электромагнитной силы, создают вращающий момент М. Вращающий момент стремится повернуть ротор в направлении движения магнитного поля. Если вращающий момент превысит тормозной момент на валу, то ротор начнёт вращаться с ускорением до тех пор, пока не наступит равновесие между вращающим и тормозным моментами, и машина будет работать с постоянной скоростью.

Рис. 5. Структурная схема асинхронного двигателя

4. Скольжение

По мере возрастания скорости ротора относительное движение его проводников в равномерно вращающемся поле уменьшится, вследствие чего уменьшится ЭДС и токи в проводниках, а, следовательно, и вращающий момент. Но скорость ротора не может достичь скорости поля, так как в этом случае вращающий момент будет равен нулю.

Таким образом, в АД частота вращения ротора будет меньше частоты вращенияполя статора. Этаразностьхарактеризуется скольжением

где n – частота вращения ротора.

В формуле частота вращения ротора n величина алгебраическая. Её следует считать положительной при согласованном вращении ротора и поля статораи отрицательной– при встречномдвижении поляиротора.

Частота вращения ротора

10