Конструкция и принцип действия асинхронных электрических машин.
В общем случае асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями (участвующими в создании вращающего и тормозного момента) являются обмотки и магнитопровод (сердечники статора и ротора); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения, закрепления и т. п.
Асинхронные электрические машины бывают двух видов:
с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. На вагонах метрополитена используются асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором, поэтому устройство машин с фазным ротором рассматриваться не будет.
Принцип работы асинхронного двигателя, как и любой другой электрической машины, заключается во взаимодействии двух магнитных полей, созданных током в обмотках статора и обмотках ротора.
Обмотка статора, питаемая трехфазным переменным током, создает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует ток в обмотке ротора. Возникает магнитное поле ротора. В результате взаимодействия двух магнитных полей в двигателе возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля статора.
Асинхронная машина состоит из статора, ротора и двух подшипниковых щитов, объединяющих ротор и статор в единую конструкцию.
Статор – неподвижная часть машины – состоит из станины, сердечника и трехфазной обмотки. Ротор – подвижная часть машины – состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки. Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не имеет электрического соединения с внешней цепью). Это определяет высокую надежность двигателя. Подшипниковые щиты крепятся болтами и служат опорой подшипников вала ротора.
Асинхронная машина в отличие от машины
| Рис.1. Сердечник статора. |
постоянного тока не имеет явно выраженных
полюсов. Такая магнитная система называется неявнополюсной, при этом проводники обмотки статора равномерно распределены по окружности статора.
Все элементы магнитной системы пронизываются переменным магнитным потоком, поэтому сердечники ротора (рис. 3) и статора (рис.1) выполняют из листов электротехнической стали, электрически изолированных один от другого. В результате этого уменьшается вредное действие вихревых токов, возникающих в стали сердечников. Сердечники статора и ротора имеют пазы, в которых располагают проводники соответствующих обмоток. Сердечник статора устанавливают в станину, а сердечник ротора на вал, который вращается в подшипниках.
Воздушный зазор между статором и ротором имеет минимальный размер, допускаемый с точки зрения точности сборки и механической жесткости конструкции. Малый зазор обеспечивает уменьшение магнитного сопротивления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьшение намагничивающего тока, требуемого для создания в двигателе магнитного потока. Снижение намагничивающего тока позволяет повысить коэффициент мощности двигателя.
Элементом обмотки статора является секция, расположенная двумя сторонами в пазах, находящихся друг от друга на расстоянии «шага по пазам». Секции укладывают таким образом, что в каждом пазу размещается или одна или две стороны — одна над другой. В соответствии с этим различают одно- и двухслойные обмотки. Наибольшее распространение получили двухслойные. Их секции 1 (рис. 2) укладывают в пазы 2 статора в два слоя. При этом одна пазовая сторона секции укладывается в нижнем слое (ближе ко дну паза), а вторая – в верхнем. Перед укладкой обмотки стенки паза покрывают листовым
| Рис. 2. Укладка секций в пазы сердечника. |
изоляционным материалом. Проводники обмотки укрепляют в пазах текстолитовыми клиньями. В зависимости от используемого материала различают мягкие и жесткие секции. В первом случае используется провод круглого сечения, во втором – шины прямоугольного сучения.
Секции объединяются в катушки, разбитые на три группы по числу фаз. В каждой группе катушки электрически соединяются, образуя одну фазу обмотки, т. е. отдельную электрическую цепь. При больших значениях фазного тока обмотки могут иметь несколько параллельных ветвей.
Провода, соединяющие секции, и части секций вне паза называют лобовыми частями. Так как лобовые части не принимают участия в индуцировании э. д. с, их выполняют как можно короче.
В асинхронных двигателях используются два способа соединения фаз обмоток между собой: «звездой» или «треугольником». Эти соединения могут выполняться как внутри машины, образуя глухое подсоединение, так и вне двигателя — с помощью сменных перемычек на специальном щитке, установленном на корпусе машины.
В первом случае к выводному щитку подводится три вывода. Во втором - шесть выводов - начала и концы фазных обмоток.
Обмотка, состоящая из трех катушек, создает магнитное поле с двумя полюсами, которое за один период трехфазного тока сделает один оборот. При частоте 50 Гц это будет соответствовать скорости вращения магнитного
| Рис. 3. Схема соединений обмоток статора и получение двухполюсного и четырехполюсного магнитного поля |
поля 50 об/сек, или 3000 об/мин. Обмотка, состоящая из шести катушек, (фазные обмотки разделены на две) создает четырехполюсное магнитное поле. Скорость его вращения частоте 50 Гц составляет 1500 об/мин.
Обмотка ротора выполнена в виде «беличьей клетки» (рис. 4) из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни обмотки вставляют в пазы ротора без какой-либо изоляции, так как напряжение в короткозамкнутой обмотке
| Рис. 4. Ротор. |
ротора равно нулю. При этом обеспечиваются хорошее использование
площади паза и хорошая теплоотдача от
стержней к активной стали.
В медных короткозамыкающих кольцах профрезеровываются прорези (рис. 4) в соответствии с размерами прямоугольных стержней. Стержни и кольца припаиваются друг к другу тугоплавкими припоями.
В двигателях мощностью до 100 кВт стержни «беличьей клетки» могут изготавливаться путем заливки расплавленного алюминия под давлением в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями отливают соединяющие их торцевые короткозамыкающие кольца.
На валу ротора располагают вентилятор, который осуществляет принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток и сердечников статора и ротора), позволяя получить от двигателя большую мощность. В роторах с литой обмоткой лопасти вентилятора отливают совместно с торцевыми кольцами.
Образование вращающего электромагнитного момента в асинхронной электрической машине.
Трехфазный переменный ток, питающий обмотки статора в режиме электродвигателя, создает вращающееся магнитное поле (подробнее см. приложение), магнитные силовые линии которого пересекают проводники обмотки неподвижного ротора. На рис. 5 принято вращение магнитного поля по часовой стрелке. По закону электромагнитной индукции в проводниках ротора возникает электродвижущая сила, направление
| Рис. 5. Образование вращающего момента. |
которой определяется правилом правой
руки. В короткозамкнутой обмотке
начинает протекать электрический ток. На рис. 5 в левом проводнике направление тока обозначено «х», что означает протекание тока «от наблюдателя» (за плоскость рисунка), в правом проводнике ток протекает в противоположную сторону (обозначено «точкой»). По правилу левой руки
определяется направление действия сил на проводники (обозначены F на рис. 5). Под действием пары сил F возникает вращающий момент, направленный в сторону вращения поля статора и ротор начинает вращение. Таким образом, статорный ток вызывает или индуктирует ток ротора, поэтому очень часто асинхронные машины называют индукционными.
Скорость вращения магнитного потока, называется синхронной скоростью двигателя и определяется как
n1=60f/p об/мин,
где: f – частота сети переменного трехфазного тока;
р – число пар полюсов.
Скорость вращения ротора n2 всегда будет отставать от синхронной скорости двигателя. Разность скоростей называется скольжением S и выражается в относительных единицах или в процентах:
S = (n1 - n2)/ n1
Скольжение – одна из важных величин, характеризующих работу асинхронного двигателя.
Во время пуска при неподвижном роторе скольжение максимальное, вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью и индуктирует в ней значительную ЭДС, которая вызывает значительный пусковой ток ротора. Соответственно, и в обмотке статора также возникает значительный пусковой ток. Вращающий момент, развиваемый двигателем, покрывает собственные механические потери и момент внешней нагрузки. С ростом скорости ротора скольжение и токи уменьшаются. С ростом внешней нагрузки скольжение растет, что вызывает увеличение токов и вращающего момента.
Для регулирования мощности с целью получения необходимой тяговой характеристики на вагонах метрополитена применяется регулятор частоты и питающего напряжения.
Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками. Для этого достаточно изменить чередование фаз трехфазного тока.