13.АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Втеме 13 рассматриваются вопросы, входящие в шестой раздел рабочей программы. Для изучения данной темы следует иcпользовать материал темы 13.

Эти вопросы также разобраны в [1], [2], [5].

Обратите особое внимание на ключевые моменты этой темы, которыми являются:

1.Принцип действия электрической машины;

2.Устройство трехфазных асинхронных машин;

3.Электродвижущие силы, индуктируемые в обмотках статора и ротора;

4.Токи в обмотках ротора. Электромагнитный момент;

5.Активная мощность и КПД. Реактивная мощность и коэффициент мощности;

6.Механическая характеристика;

7.Пуск асинхронных двигателей.

13.1.Общие вопросы теории электрических машин

Электрическая машина наиболее распространенный вид электромеханического преобразователя. Применяется практически во всех отраслях промышленности как источник электрической или механической энергии. Этому способствует простота конструкции, надежность эксплуатации и энергетические показатели.

Теоретические основы электромашиностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем. Он установил возможность преобразования электрической энергии в механическую и создал первую модель электродвигателя. Дальнейшее развитие идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила в работах Д. Максвелла, Э.Х. Ленца, Б.С. Якоби и М.О. ДоливоДобровольского. Благодаря их трудам, были разработаны и созданы конструкции электрических машин, пригодные для практического применения

Электрическая машина электромеханический преобразователь, работающий в генераторном иди двигательном режимах, при которых соответственно механическая энергия преобразуется в электрическую или электрическая энергия преобразуется в механическую. Суть явления объясняется законом электромагнитной индукции. В соответствии с ним одна и та же электрическая машина может вырабатывать электрическую энергию либо потреблять ее. Эта особенность электрических машин называется принципом обратимости.

173

Рассмотрим физический смысл принципа обратимости на примере простейшего устройства, содержащего постоянный магнит, между полюсами которого помещен прямолинейный проводник.

Пусть между полюсами подковообразного постоянного магнита помещен прямолинейный проводник (рис. 13.1,а).

Воздействуя внешней силой F на прямолинейный проводник, будем перемещать его в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. В соответствии с законом электромагнитной индукции в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС) E B l v , где В магнитная индукция, Тл; l активная длина проводника, м; v скорость движения проводника, м/с.

174

При равномерном движении проводника обе силы уравновешивают друг друга. Умножив обе части равенства на скорость движения проводни-

чтобы ток в проводнике имел направление, указанное на рис. 13.1,б,

поле. При перемещении проводника в магнитном поле в нем будет индуктироваться ЭДС. Направление ЭДС противоположно напряжению внешнего источника. Таким образом, часть напряжения, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС, а другая ее часть составляет

запишемвыражение U I B l v I I 2 R, котороепредставимв виде

U I FЭМ v I 2 R .

Записанное выражение показывает, что электрическая мощность (U I ), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую мощность ( FЭМ v ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь мощно-

сти в проводнике ( I 2 R ).

Таким образом, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать следующие выводы:

так и в режиме двигателя наблюдается индуктирование ЭДС в проводнике, пе-

175

ресекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока.

3. Взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это свойство электрических машин называют обратимостью. Впервые принцип обратимости был установлен русским электротехником Э.Х. Ленцем.

13.2. Классификация электрических машин

Диапазон мощностей выпускаемых электрических машин весьма широк - от долей ватта до сотен тысяч киловатт. Условно электрические машины делят-

176

13.3. Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная – ротором. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 13.2 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия. Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с1, с2, с3, концы – с4, с5, с6.

Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 13.3, а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рис. 13.3, б) или треугольник (рис. 13.3, в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя.

Рис. 13.2

3

177

В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660В по схеме звезда или в сеть с Uл =380В – по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

Рис. 13.3

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Короткозамкнутая обмотка (рис. 13.4,б) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки” (рис. 13.4,а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент.

Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

178

Рис.13.5

а) б)

Рис.13.6

На рис. 13.7 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.

Рис. 13.7

180