§ 8.2. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является простейшей из электрических машин. Как и любая электрическая машина, он имеет две основные части: статор и ротор.

Рис. 8.7. Конструкция статора асинхронного двигателя: 1 — станина; 2 — сердечник; 3 — обмотка; 4 — лапа; 5 —

прокладка

Статор (рис. 8.7) состоит из чугунной станины 1, в которой закреплен магнитопровод 2 в виде полого цилиндра. Между станиной и сердечником обычно оставляют зазор, через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких (0,5 мм) листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора, укладывают обмотку 3. У двухполюсной машины обмотка статора состоит из трех катушек, сдвинутых на углы 120°, у че- тырехполюсной — из шести катушек, сдвинутых на 60°, у шестиполюсной — из девяти катушек и т. д. Обмотку в пазах статора закрепляют клиньями.

Рис. 8.8. Общий вид ротора асинхронного двигателя с коротко-замкнутой (а) и фазной (б) обмотками

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной (рис. 8.8). Короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка» изображена на рис. 8.9. Она состоит из толстых проводящих стержней (медь, алюминий), соединенных по торцам медными или алюминиевыми кольцами. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Иногда ее изготовляют заливкой расплавленного алюминия в пазы ротора.

Устройство фазной обмотки ротора аналогично устройству обмотки статора. Концы фазной

обмотки ротора соединяют с контактными кольцами и через щетки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами 3 (рис. 8.10). Контактные кольца 1, изготовленные из латуни или меди, укрепляют на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками 2 крепят на подшипниковом щите.

Общий вид асинхронного двигателя показан на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора

Карточка № 8.2 (184). Устройство асинхронного двигателя

§ 8.3. Принцип действия асинхронного двигателя. Физические процессы, происходящие при раскручивании ротора

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники.

При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда

стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. несинхронно с полем, или асинхронно.

Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Карточка № 8.3 (213)

Принцип действия асинхронного двигателя. Физические процессы, происходящие при раскручивании ротора

§8.4. Скольжение и частота вращения ротора

Обозначим через n2 частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Было установлено,

что n2<n1.

Частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т. е. разность n1—n2, называют скольжением. Обычно скольжение выражают в долях частоты вращения поля и обозначают буквой s:

s=(n1—n2)/n1.

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. При номинальной нагрузке его значение составляет около 0,05 у машин небольшой мощности и около 0,02 у мощных машин.

Из последнего равенства находим, что n2=(l—s)n1.

После преобразования получаем выражение частоты вращения двигателя, удобное для дальнейших рассуждении: n = (1- s) 60pf

Поскольку при нормальном режиме работы двигателя скольжение невелико, частота вращения двигателя мало отличается от частоты вращения поля.

На практике скольжение часто выражают в процентах: b = n1 - n2 ×100 n1

У большинства асинхронных двигателей скольжение колеблется в пределах 2—5%. Скольжение является одной из важнейших характеристик двигателя; через него

выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора.

При неподвижном (n2=0) роторе s=1. Таким скольжением обладает двигатель в момент

пуска.

Как отмечалось, скольжение зависит от момента нагрузки на валу двигателя; следовательно, и частота вращения ротора зависит от тормозного момента на валу. Номинальное значение частоты вращения ротора n2, соответствующее расчетным значениям нагрузки, частоты и напряжения сети, указывается на заводском щитке асинхронного двигателя.

Асинхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы. При 0<s£l машина работает в режиме двигателя, частота вращения ротора n2 меньше или равна частоте вращения магнитного поля статора n1. Но если внешним двигателем раскрутить ротор до частоты вращения, большей синхронной частоты: n2>n1, то машина перейдет в режим работы генератора переменного тока. При этом скольжение станет отрицательным, а механическая энергия приводного двигателя будет превращаться в электрическую энергию.

Асинхронные генераторы переменного тока практически не применяются.

Карточка № 8.4 (174). Скольжение и частота вращения ротора

§8.5. Влияние скольжения на ЭДС в обмотке ротора

Условия индуцирования ЭДС в обмотках трансформатора и асинхронной машины одинаковы. Действительно, в трансформаторе витки обмотки пересекаются переменным магнитным потоком, сохраняющим свое направление в пространстве. В асинхронной машине витки обмотки пересекаются постоянным, но вращающимся магнитным потоком. С точки зрения закона электромагнитной индукции следует отметить, что в обоих случаях магнитный поток, сцепленный с каждым витком обмотки, изменяется во времени по синусоидальному закону.

К асинхронным машинам полностью применима формула для трансформаторной ЭДС.

Пока ротор асинхронного двигателя неподвижен, его обмотка пересекается вращающимся магнитным полем с частотой п1.

Обозначим действующее значение ЭДС одной фазы неподвижного ротора E2н. Тогда

формула для трансформаторной ЭДС примет вид

E2н = 4,44ϖ2k2 f1Ф

где ϖ— число витков одной фазы обмотки ротора; k2 — обмоточный коэффициент ротора; f1—частота тока питающей сети; Ф — вращающийся магнитный поток.

Обмоточный коэффициент всегда меньше единицы и в современных асинхронных машинах составляет 0,85—0,95. Он обусловлен тем, что в машине переменного тока витки

обмотки распределены по внутренней поверхности статора и не одновременно пересекаются магнитным потоком. Поэтому ЭДС отдельных витков сдвинуты по фазе относительно друг друга и складываются не арифметически, как в трансформаторе, а геометрически (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Сложение ЭДС отдельных витков в трансформаторе (а) и в машине переменного тока (б)

При неподвижном роторе частота индуцируемой в его обмотке ЭДС равна частоте сети f1. По мере раскручивания ротора скорость (n1—п2) пересечения витков обмотки вращающимся магнитным полем уменьшается, а следовательно, уменьшается частота ЭДС в обмотке ротора:

f2 = p (n1 − n2 )

60

Чтобы ввести скольжение в выражение для f2, умножим числитель и знаменатель на n1

Таким образом, частота ЭДС в обмотке ротора прямо пропорциональна скольжению. Теперь можно записать выражение для ЭДС обмотки ротора в общем случае:

E2=4,44ϖ2k2f2Ф=4,44ϖ2k2sf1Ф

Сравним выражения для E2н и E2, найдем, что E2=sE2н.

ЭДС E2, индуцируемая в обмотке ротора вращающимся магнитным полем, прямо пропорциональна скольжению двигателя.