Тема: Устройство и принцип действия асинхронного двигателя и его рабочие характеристики

Устройство асинхронного двигателя (рис. 8.6). Двига­тель состоит из двух основных частей, разделенных воз­душным зазором: неподвижного статора 6 и вращающего­ся ротора 3. Каждая из этих частей имеет сердечник 1 и

обмотку. При этом обмотка 2 статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка 4 ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками (подобно трансформатору).

Существуют два основных типа асинхронных двигате­лей: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Последние иногда называют двигате­лями с контактными кольцами. Оба типа двигателей имеют одинаковую конструкцию статора и различаются конструк­цией ротора.

Статор асинхронного двигателя состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус 1 статора (рис. 8.7, а) служит для соединения всех частей двигателя в единую конструкцию. В небольших двигателях корпус отливают из алюминиевого сплава, стали или чугуна, а в крупных машинах делают сварным. В корпус статора за­прессован сердечник 2, который с целью уменьшения по­терь от вихревых токов собирается из изолированных друг от друга лаком листов электрической стали (рис. 8.7, б). В пазы сердечника уложены проводники обмотки статора, которая выполняется из медного провода. Основным элементом обмотки является секция, которая может иметь один (рис. 8.8, а) или несколько (рис. 8.8, б) витков. Активные стороны секций укладывают в пазы сердечника статора, например сторону 1 укладывают в первый паз, а сторону 4 секции — в четвертый паз. Секции соединяют между собой в катушки, из которых состоят обмотки каждой фазы. Начала С₁, С₂, С₃ и концы С₄, С₅, С₆ фазных обмоток присоединяют к зажимам коробки выводов (рис. 8.9, а). Для упрощения переключения схем Y и ∆ зажимы обмотки статора располагают в порядке, указан­ном на рис. 8.9, а.

рис 8.9

Ротор асинхронного двигателя состоит из сердечника 3 (см. рис. 8.6), обмотки 4 и вала 5. Вал ротора устанавливается в подшипниках, запрессованных в под­шипниковых щитах 7, прикрепленных болтами к корпусу статора, и служит для передачи вращающего момента производственному механизму. Сердечник ротора имеет цилиндрическую форму и собирается из листов электро­технической стали.

В двигателях с короткозамкнутым ротором обмотка ротора (рис. 8.10) состоит из ряда алюминиевых стержней (располагаемых в пазах сердечника ротора), замкнутых по торцам кольцами. В этих двигателях мощностью до 400 кВт обмотку ротора выполняют заливкой его пазов под давлением расплавленным алюминием.

Обмотку фазного ротора выполняют трехфазной ана­логично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой и ее три конца присоединяют к трем установленным на валу контактным кольцам, которые электрически изолированы друг от друга и от вала ротора. На рис. 8.11 схематично

Рис. 8.10

показано, как осуществляется вывод одного конца обмотки ротора к неподвижной клемме Р1 через вращающееся вме­сте с валом 2 кольцо 3 и неподвижную графитовую щетку 1.

Принцип действия асинхронного двигателя. Работа двигателя основана на использовании вращающегося маг­нитного поля, которое образуется в статоре после подклю­чения его обмоток в трехфазную сеть. Вращающееся маг­нитное поле статора, пересекая проводники обмотки рото­ра (см. рис. 8.6), индуцирует в них ЭДС Е₂, которая создает в короткозамкнутой обмотке ток ротора I₂. Взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным по­лем вызывает электромагнитный момент, приводящий ро­тор во вращение с частотой п₂. Таким образом, электриче­ская энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется посредством вращающегося магнитного поля в механическую энергию.

ЭДС Е₂ ротора, определяющая значение его тока, в соответствии с формулой (3.21) зависит от скорости, с ко­торой вращающееся магнитное поле пересекает проводни­ки обмотки ротора. Когда ротор неподвижен, эта скорость, согласно формуле (8.1), n₁= 60fi/p, а при вращении ротора с частотой п₂ она равна п₁- п₂. Значит, при разго­не ротора (увеличении п₂) ЭДС и ток ротора уменьшаются.

При п₁= п₂ вращающееся магнитное поле статора не пересекало бы проводники обмотки ротора и отсутство­вали бы ЭДС, ток и вращающий момент ротора. Чтобы существовал вращающий момент, ротор должен вращать­ся медленнее поля, т. е. асинхронно (несинхронно с ним). Поэтому двигатель называется асинхронным.

Разность частот вращения магнитного поля п₁ и ротора п₂, выраженная в относительных единицах

s = (n₁—n₂)/n₁, (8.2)

называется скольжением асинхронной машины. Скольжение иногда выражается в процентах: s = 100(n₁—n₂)/n_l.

Когда ротор неподвижен, s = l. При холостом ходе двигателя скольжение близко к нулю, а при номинальной нагрузке — колеблется в пределах 2—5 %.

По формуле (8.1) частота тока статора f₁ =p n₁/60,

а ротора — f₂ =р(п₁ — п₂)/60 = рп₁(п₁-п₂)/(60п₁) = spn₁/60, т. е.

f₂= s f₁. (8.3)

Например, если f₁=50 Гц, а скольжение 4%, то f₂= 50 4/100 = 2 Гц.

Ток в обмотке ротора создает собственное магнитное поле, которое вращается относительно ротора с частотой вращения п_р = 60 f₂/р = 60 f₁ s/p = п₁s.

Так как ротор сам вращается относительно статора, то частота вращения поля ротора относительно неподвижно­го статора составляет n_р + n₂ = n₁s+ п₂ = п₁. Таким обра­зом, магнитные поля статора и ротора вращаются в одну сторону с одинаковой частотой вращения п₁, т. е. они неподвижны по отношению друг к другу.

Поэтому магнитная связь между обмотками статора и ротора такая же, как в трансформаторе между его первичной и вторичной обмотками. В связи с этим асин­хронный двигатель иногда называют трансформато­ром с вращающейся вторичной обмоткой.

В асинхронном двигателе, магнитный поток, связывающий обмотки статора и ротора, не изменяется при изменении нагрузки (при U = const), изменение тока в обмотке ротора при­водит к пропорциональному изменению токов в обмотках статора.

Номинальная мощность двигателя (механическая мощность на его валу), как и трансформатора, зависит от энергии магнитного поля, сосредоточиваемой в магнитной цепи. Поэтому чем мощнее двигатель, тем больший объем его магнитопровода. Промышленностью выпускаются трехфазные асинхронные двигатели мощ­ностью от десятков ватт до тысяч киловатт (высотой 2 м и более).

На щитке, прикрепленном к корпусу двигателя, ука­зываются номинальные величины двигателя: мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота враще­ния, КПД.

Значения номинального и рабочего тока трехфазного двигателя рассчитываются по формуле

I= Р/( Uƞ cos φ),

где Р — мощность механическая (на валу); U — линейное напряжение; ƞ— КПД; cos φ — коэффициент мощности двигателя.