СКЕ / 2_Асинхронные двигатели. Принцип работы. Схемы замещения. Механические характеристики

5.Асинхронные машины

5.1.Назначение и принцип действия асинхронных машин

5.1.1.Вращающееся магнитное поле

Электрические машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Принцип действия этих машин основан на использовании вращающегося магнитного поля.

5.1.1.1Двухполюсное магнитное поле

Вдвухполюсной машине переменного тока вращающееся поле создается при питании трехфазным током трех катушек (фаз) I, II, III, оси которых сдвинуты одна относительно другой в пространстве на 120° ( рис. 5.1,а). Эти катушки расположены на неподвижной части машины — статоре; их соединяют «звездой» или «треугольником» и подключают к сети трехфазного переменного тока.

Рисунок 5.1 - Схема пространственного расположения катушек на статоре двухполюсного асинхронного двигателя (а) и график изменения в них тока (б)

Рассмотрим более подробно, как образуется вращающееся магнитное поле в двухполюсной машине.

Для этого изобразим картины магнитных полей (рис. 5.2), которые создаются в различные моменты времени всеми тремя катушками I, II и III при прохождении по ним переменных токов i1, i2 и i3. Условимся считать ток в

любой катушке положительным, когда он направлен от начала катушки к ее концу, и отрицательным, когда он направлен от конца катушки к ее началу.

Начала катушек обозначены на рис. 5.2 буквами A, B , C , а их концы - X , Y

49

и Z ; направления токов в сторонах катушки показаны точками и крестиками.

Как видно из графика изменения токов в катушках (рис. 5.1,б), в момент времени, соответствующий ωt = 0, i1 = 0 , i2 отрицателен, i3 положителен.

Следовательно, по катушке I ток проходить не будет, в катушке II он будет направлен от конца Y к началу B , а в катушке III — от начала C к концу Z .

Картина магнитного поля, образованного токами i2 и i3 (рис. 5.2, а),

построена по правилу буравчика.

Рисунок 5.2 - Упрощенные картины магнитных полей, создаваемых токами i1, i2 и i3 в фазах обмотки статора двухполюсного двигателя в различные моменты времени

Правило буравчика определяет направление магнитного поля,

создаваемого электрическим током: если буравчик с правой резьбой ввинчивать по направлению тока i (рис. 5.3), то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением магнитного поля H , возбуждаемого этим током.

Рисунок 5.3 - Правило буравчика

50

Если поместить внутри статора 1 с катушками (рис. 5.2,а) постоянный магнит 2, то под действием магнитного поля, созданного катушками, он будет занимать горизонтальное положение. Направление результирующего поля внутри статора условно показано стрелкой.

Через 1/6 периода (ωt = 60o ) ток i1 будет иметь некоторое положительное значение, ток i2 будет еще отрицательным, а ток i3 станет равным нулю. Следовательно, в катушке I ток будет направлен от начала A к

концу X , в катушке II — от конца Y к началу B , а в катушке III тока нет. Направление результирующего магнитного поля, созданного катушками, при этом изменится, и магнит 2 повернется на угол 60° ( рис. 5.2,б). Еще через 1/6

периода (ωt = 120o ) ток i1 будет все еще иметь положительное направление

(см. рис. 5.1,б), ток i2 станет равным нулю, а ток i3 - отрицательным. При этом в катушке I ток будет направлен от начала A к концу X , в катушке II

тока не будет, а в катушке III он будет направлен от конца Z к началу C . Созданное катушками магнитное поле снова изменит свое направление и магнит 2 опять повернется на угол 60° ( рис. 5.2,б).

Продолжая рассматривать процесс прохождения токов i1, i2, i3 по

катушкам обмотки статора машины и определяя направление созданного им магнитного поля (рис. 5.2, г, д, е), можно легко показать, что в течение одного периода изменения тока магнитный поток машины, а, следовательно, и находящийся в ее поле магнит повернутся на один оборот. Таким образом, при питании трехфазным током трех катушек, сдвинутых одна относительно другой на угол 120°, возникает магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной частотой вращения ωo = 2π f1 (здесь f1 - частота изменения питающего напряжения), которую называют синхронной. Амплитуда результирующего потока, создаваемого всеми тремя катушками, в 1.5 раза больше максимального значения потока одной катушки. Полученное вращающееся поле имеет два полюса.

Магнитная индукция результирующего поля распределяется вдоль окружности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному. Это обеспечивается путем соответствующего выполнения обмотки статора: укладки проводников каждой фазы в нескольких рядом расположенных пазах, укорочения шага обмотки и скоса пазов.

51

5.1.1.2 Многополюсное магнитное поле

При размещении на статоре шести катушек A − X , B − Y , C − Z ,

A'− X , B'− Y , C'− Z , оси которых сдвинуты на угол 60°, и включении их, например, по схеме рис. 5.4, а возникает четырехполюсное вращающееся поле.

Рисунок 5.4 - Схема включения катушек обмотки статора четырехполюсного двигателя (а) и картина возникающего магнитного поля (б)

Рис. 5.4, б иллюстрирует картину создаваемого катушками магнитного поля в момент времени ωt = 0. Четырехполюсный постоянный магнит в рассматриваемый момент времени устанавливается, как показано на рис. 5.4, б. Частота вращения четырехполюсного магнитного поля будет в два раза меньше, чем двухполюсного, так как за один период изменения тока оно поворачивается на угол, равный 180°. В общем случае, когда каждая фаза асинхронного двигателя состоит из p катушек, оси которых сдвинуты друг от

360o

52

Вращающееся магнитное поле можно получить также с помощью двух обмоток, сдвинутых по окружности на 90°, если пропускать по ним токи, сдвинутые по фазе на четверть периода, т. е. на 90° ( двухфазный ток). Такое вращающееся магнитное поле используют в двухфазных электродвигателях.

5.1.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Трехфазные асинхронные двигатели являются самыми распространенными электрическими машинами и применяются для привода различных станков, насосов, вентиляторов, компрессоров, грузоподъемных механизмов, а также на электрических подстанциях переменного тока в качестве двигателей вспомогательных машин.

Рисунок 5.5 - Электромагнитная схема асинхронной машины (а) и направления токов и электромагнитного момента при работе ее в двигательном режиме (б)

53

В асинхронной машине (рис. 5.5, а) одну из обмоток (2) размещают на статоре 1, а вторую (4) — на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками

делают по возможности малым.

Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора AX , BY и CZ соединяют по схеме Y или и подключают к сети трехфазного тока (рис. 5.5,6). Обмотку ротора 4 выполняют трехфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора 3. Фазы ее в простейшем случае замыкают накоротко.

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная) ωo = 2π f1 / p .

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. На рис. 5.5,а показано, согласно правилу правой руки,

направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС, поэтому условные обозначения (крестики и точки) на рис. 5.5 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие Fрез, приложенное ко всем проводникам ротора,

образует электромагнитный момент M , увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения ω соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным и, очевидно, в данном случае

0 ≤ ω ≤ ωo .

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

54

Очевидно, что в двигательном режиме 1 s 0.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора, т. е. асинхронная машина перейдет в генераторный режим (рис. 5.6, а). При этом изменит свое направление и электромагнитный момент М , который станет тормозящим. В

генераторном режиме асинхронная машина получает механическую энергию от первичного двигателя, превращает ее в электрическую энергию и отдает в сеть.

В этом режимеs 0 .

Рисунок 5.6 - Электромагнитная схема асинхронной машины,

направления токов и электромагнитного момента при работе ее в режимах генераторного (а) и электромагнитного торможения (б)

Если изменить направление вращения ротора (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях

(рис. 5.6, б), то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т. е. машина будет получать из

55

сети активную мощность. Однако в данном режиме электромагнитный момент

M направлен против вращения ротора, т. е. является тормозящим. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. Так как ротор вращается в обратном направлении (относительно направления магнитного поля), то ω 0, a s 1.

Таким образом, характерная особенность асинхронной машины -

наличие скольжения, т. е. неравенство угловых частот вращения поля ωo и

ротора ω . Только при указанном условии в проводниках обмотки ротора индуцируется ЭДС и возникает электромагнитный момент. Поэтому машину называют асинхронной (ее ротор вращается несинхронно с полем).

На практике обычно встречается двигательный режим асинхронной машины, поэтому теория асинхронных машин в дальнейшем изложена применительно к этому режиму с последующим обобщением ее на другие режимы работы.

5.2. Устройство трехфазных асинхронных двигателей

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором. Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность, возможность вращения, охлаждения и т. п.

По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

5.2.1 Двигатели с короткозамкнутым ротором

На статоре (рис. 5.7) расположена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле.

Обмотка ротора, выполненная в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет.

56

Рисунок 5.7 - Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3 — сердечник ротора; 4 — обмотка ротора «беличья клетка»; 5 — обмотка статора; 6— вентиляционные лопатки ротора; 7 — подшипниковый щит; 8 — кожух вентилятора; 9 — вентилятор

Рисунок 5.8 - Конструкция короткозамкнутого ротора: 1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — лопасти вентилятора; 4 — короткозамыкающие кольца

57

«Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней,

замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 5.8, а).

Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-

либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности «беличью клетку» обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис. 5.8, б). Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. Для этой цели наиболее пригоден алюминий, обладающий малой плотностью, легкоплавкостью и достаточно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности - закрытыми.

Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки.

Вдвигателях большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 5.8, в). Различные формы пазов ротора показаны на рис. 5.8, г.

Вэлектрическом отношении «беличья клетка» представляет собой

многофазную обмотку, соединенную по схеме Y и замкнутую накоротко.

Число фаз обмотки ротора m2 равно числу пазов ротора z2, причем в каждую фазу входят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для:

уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов; снижения шума, вызванного магнитными причинами; устранения явления прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается при малых воздушных зазорах.

5.2.2 Двигатели с фазным ротором

Обмотка статора двигателя с фазным ротором (рис. 5.9) выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Y , три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 5.9), вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток,

58