Принцип действия и конструкция асинхронных машин

Асинхронные машины (АМ) используются в основном как двигатели (АД). АМ состоит из двух частей: неподвижной части – с т а т о р а и вращающейся части – р о т о р а. Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, как и сердечник ротора, набирают из отдельных листов, которые штампуют из холоднокатаной изотропной электротехнической стали (марок 2013, 2312, 2411 и др.) толщиной 0,5 мм. Перед сборкой сердечника листы изолируются друг от друга (покрываются с обеих сторон) масляно-канифольным изоляционным лаком (в машинах средней и большой мощности). Сердечники машин малой мощности иногда собираются из листов без лакового покрытия, т.к. в этом случае достаточной изоляцией является естественный или искусственно созданный слой окислов на поверхности листов стали. Иногда используют сталь, выпускаемую с электроизоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповываются пазы, в которые укладывают обмотку. О б м о т к а с т а т о р а выполняется трехфазной и присоединяется к сети трехфазного тока. Поэтому она называется п е р в и ч н о й о б м о т к о й. Сердечник статора закрепляется в корпусе. Листы сердечников статора и ротора представлены на рисунке 14.

Рис. 14. Листы сердечников статора (1) и ротора (2) АМ

С е р д е ч н и к р о т о р а закрепляется на валу машины (малой и средней мощности) или на ободе с крестовиной и втулкой, надетой на вал машины (большой мощности). Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины малой и средней мощности), или на отдельно стоящих подшипниковых стойках (машины большой мощности). На внешней цилиндрической поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток ротора.

Роторы АД выполняют двух видов: с короткозамкнутой обмоткой ротора и фазной обмоткой. Первый вид АД называют к о р о т к о з а м к н у т ы м и АД, а второй – АД с ф а з н ы м р о т о р о м или АД с к о н т а к т н ы м и к о л ь ц а м и. Наибольшее распространение имеют короткозамкнутые АД. О б м о т к а короткозамкнутого ротора представляет собой конструкцию наподобие б е л и ч ь е й к л е т к и (рис. 15).

Рис. 15. Обмотка ротора АД в виде беличьей клетки

В электрической соотношении она является многофазной обмоткой с числом фаз, равным числу стержней (пазов). Обмотку ротора выполняют путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы. Одновременно с обоих торцов ротора отливают алюминиевые кольца, замыкающие стержни пазов. Для усиления охлаждения двигателя вместе с кольцами отливают примыкающие к ним вентиляционные лопатки.

В крупных машинах используется с в а р н а я о б м о т к а – в пазы вставляют медные стержни, которые на торцах присоединяют к медным короткозамкнутым кольцам.

В короткозамкнутых роторах применяют полузакрытые или закрытые пазы, имеющие овальную, прямоугольную или фигурную форму. Ширину открытия пазов выбирают около 1 мм. Закрытые пазы перекрывают сверху овальным мостиком толщиной 0,3 – 0,5 мм (рис. 16).

В двигателях с ф а з н ы м р о т о р о м в пазы укладывают трехфазную обмотку аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец, расположенных на валу, и металлографитных щеток выводятся наружу. Кольца изолированы друг от друга и от вала машины. К ним через неподвижные щетки подсоединяют пусковой или регулировочный реостат. Для фазных роторов применяют полузакрытые пазы овальной или прямоугольной формы.

Рис. 16. Пазы ротора АМ

В АД воздушный зазор между статором и ротором выбирают минимально возможным из механических соображений (чтобы ротор при вращении не задевал о статор), по условиям производства (определенные стандарты на заводах изготовителях) и надежности работы. В машинах небольшой и средней мощности он составляет доли миллиметра (0,3 – 0,5 мм), а у крупных машин – миллиметры.

Рассмотрим принцип действия а с и н х р о н н о г о д в и г а т е л я [2]. Предположим, что ротор АД непо­движен и к его валу не приложен тормозной момент. Если трехфазную обмотку статора подключить к трехфазной се­ти, то токи, протекающие по обмотке, создадут вращающее­ся магнитное поле. Угловая скорость этого поля, называе­мая синхронной, равна:

, с^-1, (9)

где: – частота питающей сети.

Маг­нитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Направление ин­дуцируемой в одном из проводников ротора ЭДС показано на рис. 17 (при определении направления ЭДС по пра­вилу правой руки принималось, что поле неподвижно, а дви­жение проводника происходит в сторону, противоположную вращению поля).

Рис. 17. Направление электромагнитного момента, созданного током ротора

Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток , активная составляющая которого будет по направлению совпадать с ЭДС. Ток , взаимодействуя с магнит­ным полем, создаст вращающий момент , под действием которого ротор придет во вращение. Как можно установить по правилу левой руки, направление момента и вращения ротора будут совпадать с направлением вращения поля.

По мере разгона ротора его угловая скорость будет увеличиваться, но даже при отсутствии нагрузки на валу (холостой ход) он не сможет достигнуть скорости враще­ния поля. Объясняется это тем, что ток в роторе, а следо­вательно, и вращающий момент могут возникать только в том случае, если магнитное поле пересекает проводники ротора, т.е. когда . Так как при холостом ходе в ма­шине существует небольшой тормозной момент , обуслов­ленный механическим трением в подшипниках и трением ротора о воздух, то для его преодоления двигатель должен создавать вращающий момент, а поэтому должно выпол­няться неравенство .

Ток и момент двигателя увеличиваются с ростом ЭДС в роторе, которая пропорциональна разности . При увеличении момента нагрузки на валу двигателя должен увеличиваться электромагнитный момент двигате­ля , вследствие чего возрастает разность .

Таким образом, для рассматриваемого двигателя ха­рактерной особенностью является несинхронное (асинхрон­ное) вращение его ротора с магнитным полем. Отсюда и его название – а с и н х р о н н ы й д в и г а т е л ь. Разни­цу между скоростями или частотами вращения ротора и поля принято оценивать величиной, называемой с к о л ь­ ж е н и е м :

, (10)

где: – частота вращения магнитного поля статора, об/мин:

. (11)

В зависимости от необходимой номинальной частоты вращения поля обмотки двигателя выполняют на соответствую­щее число пар полюсов . АД общего назначения выпускаются с синхронными частотами враще­ния 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин.

АМ может работать также в генера­торном режиме и режиме электромагнитного тормоза.

Генераторный режим возникает в том случае, когда ротор с помощью посторон­него двигателя будет вращаться в направлении поля со скоростью, большей скорости поля. Скольжение в этом ре­жиме будет отрицательным. Теоретически можно как угод­но увеличивать скорость ротора относительно вращающе­гося поля. Поэтому при работе АМ в ге­нераторном режиме скольжение находится в пределах от .

Если ротор под действием посторонних сил начнет вращаться в сторону, противоположную вращению поля, то возникает режим электромагнитного тормоза. Так как скорость ротора отрицательна, то со­гласно (10) скольжение в этом режиме будет . В ре­жиме электромагнитного тормоза скольжение находится в пределах от .

Таким образом, пределы изменения скольжения в АМ от до . На рис. 18 дана шкала скольжений, а также показаны направления скоро­стей ротора и поля для различных режимов работы машины.

Рис. 18. Пределы изменения скольжения АМ в различных режимах ее работы

Лабораторная работа № 4