Устройство и принцип действия двигателя

Магнитная система асинхронного двигателя /АД/ состоит из двух сердечников: наружного - неподвижного статора и внутреннего - вращающегося ротора. В пазах статора укладывается трехфазная обмотка, которая, получая питание от сети, создает в машине вращающееся магнитное поле. По конструкции обмоток ротора двигатели выполняются двух видов: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

После включения АД в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, которое создает эдс и ток в проводниках ротора. Проводники с током, находящиеся в магнитном поле, испытывают выталкивающее усилие, возникает электромагнитный момент, и ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля. Поле машины вращается с числом оборотов:

(1)

где – число пар полюсов машины;

- частота питающего тока, равная 50 Гц.

Из выражения (1) следует, что наибольшее число оборотов поля равно 3000 об/мин., а так как число пар полюсов может быть только целым, то у АД возможны только следующие числа оборотов вращающегося поля в минуту (так называемые синхронные числа оборотов): 3000, 1500, 1000, 750, 600 и т.д.

Скорость вращения ротора n₂ всегда меньше скорости вращения поля n₁.

Само название двигателя – «асинхронный» – говорит о несовпадении скоростей вращения ротора и поля.

Чтобы изменить направление вращения ротора (осуществить реверс двигателя), нужно изменить направление вращения поля, для чего достаточно поменять местами два линейных провода, присоединенных из сети к статору.

СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК СТАТОРА

К трехфазному АД из сети подводятся три провода. Однако у двигателей малой и средней мощности от обмоток статора отводится шесть концов, т.е. начала и концы каждой фазы. Это дает возможность использовать двигатели на два напряжения, например, 380/220 или 220/127, отличающиеся друг от друга в раз. Обмотки каждой фазы статора рассчитываются на определенное номинальное фазное напряжение – меньшее из двух, указанных в паспорте. Если линейное напряжение сети, к которому присоединяется двигатель, равно номинальному напряжению фазы статора, то обмотки соединяются треугольником; если напряжение в сети в раз выше – обмотки двигателя соединяются звездой. В обоих случаях к каждой фазе статора подводят одно и то же напряжение. Тогда токи в фазах и нагрев обмоток при одинаковой нагрузке на валу будут одинаковыми.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Отставание скорости вращения ротора от скорости вращения магнитного поля характеризуется скольжением:

(2)

От величины скольжения зависят рабочие свойства АД.

Величина магнитной индукции распределяется вдоль окружности ротора примерно по синусоидальному закону. Поэтому при вращении ротора со скольжением величина индукции магнитного поля, пересекающего данный проводник короткозамкнутого ротора, будет изменяться по синусоидальному закону с частотой

(3)

Следовательно, эдс и ток этого проводника будут также изменяться по закону синуса с частотой :

(4)

(5)

Величина эдс пропорциональна скорости пересечения проводника магнитным полем, т.е. пропорциональна скольжению :

(6)

где - эдс при неподвижном роторе, т.е. при

Мгновенное значение силы, действующей на проводник с током (5), находящемся в магнитном поле (3):

(7)

Среднее значение этой силы за период:

(8)

Выразив через магнитный поток двигателя и умножив на число проводников и на радиус ротора , получим выражение для вращающего момента АД:

(9)

где , если Ф в веберах (Вб), а М в ньютон-метрах (Нм).

Величина Ф » const, поэтому М будет изменяться только в зависимости от и .

Ток с увеличением скольжения увеличивается:

,

(10)

а уменьшается вследствие увеличения индуктивного сопротивления:

(11)

где и - активное сопротивление и индуктивность роторной цепи.

На рис.1 показаны кривые тока , и момента М в зависимости от .

При малых значениях s, когда , ток увеличивается почти пропорционально ,а почти не изменяется.При больших значениях s, когда ,ток I ₂ почти не меняется, а cosφ₂ резко уменьшается.

Поэтому при малых значениях произведение , а следовательно, и М увеличивается почти пропорционально ; а при больших значениях произведение и М уменьшается с увеличением . В промежуточном значении значение М проходит через максимум .

Скольжение АД всегда положительно и изменяется от долей процента (режим холостого хода, когда двигатель не несет механической нагрузки) до 100% при пуске АД. В номинальном режиме скольжение АД общего применения обычно незначительно: , т.е. ротор вращается с числом оборотов мало отличающихся от числа оборотов магнитного поля.

Ток холостого хода по отношению к номинальному в АД значительно больше, чем в трансформаторе и достигают 30-50% от .

Это объясняется большим магнитным сопротивлением магнитной цепи, которая замыкается через воздушный зазор между статором и ротором, а также наличием потерь на трение при вращении ротора. Если увеличивается механическая нагрузка на двигатель (увеличивается момент сопротивления), то число оборотов ротора уменьшается, а скольжение возрастает. Это вызовет увеличение ЭДС ротора и тока ротора . Ток двигателя также возрастет, где - так называемый приведенный ток.

Таким образом, с увеличением механической нагрузки увеличится ток машины, и двигатель будет потреблять из сети большую мощность:

(12)

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ АД

(13)

Полезная мощность (мощность на валу) (Вт) определится из выражения:

(14)

где - момент на валу двигателя, Нм;

- число оборотов ротора в минуту;

- мощность, потребляемая из сети, Вт.

В АД, кроме потерь в стали и меди, которые имеют место и у трансформатора, добавляются еще механические потери на трение в подшипниках и вентиляционные, а также добавочные потери. Наибольший кпд в АД малой и средней мощности достигает 0,82-0,92.

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

(15)

представляет при эксплуатации большой практический интерес, так как учитывая повсеместное применение АД в приводах станков, их коэффициент мощности определит цеха, завода и т.д.

На холостом ходу обычно не превышает 0,2-0,3, с увеличением нагрузки улучшается, а при номинальной нагрузке . Важно правильно эксплуатировать АД, не допуская работы с недогрузкой и особенно вхолостую.

ПУСК В ХОД

В первый момент пуска АД, когда ротор неподвижен, и скольжение равно 100%.

В этом случае поле машины пересекает витки роторов с наибольшей скоростью, в роторе индуктируется максимальная ЭДС и ток , в результате чего ток значительно увеличится.

Пусковой ток АД с короткозамкнутым ротором превышает номинальный в 4-8 раз.

В короткозамкнутом АД, ротор которого не имеет наружных выводов, пусковой ток снижают путем уменьшения подводимого к машине во время пуска напряжения. Это достигается введением в цепь статора активного или индуктивного сопротивлений.

Когда напряжение сети таково, что обмотки двигателя в рабочем режиме соединены в треугольник, то снижение напряжения во время пуска можно осуществлять включением обмоток статора в звезду с последующим (после разгона ротора) переключением их в треугольник. Однако, снижение подводимого напряжения приводит к уменьшению пускового момента двигателя, который пропорционален квадрату напряжения.

Хорошие пусковые характеристики имеет двигатель с фазным ротором. В первый момент пуска вводится в цепь ротора пусковой реостат, чтобы уменьшить ток в роторе , а значит, и ток в статоре .

Кроме того, за счет пускового реостата увеличивается активное сопротивление роторной цепи, а следовательно, увеличивается и пусковой момент М . По мере разгона ротора пусковой реостат постепенно выводится.

Пусковой вращающий момент двигателя увеличивается пропорционально квадрату напряжения . Действительно, с увеличением увеличивается поток и ток пропорционально :

(16)

Поэтому вращающий момент М увеличивается пропорционально :