Электрические машины конспект лекций

Лекция 6

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

6.1. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронная машина, используемая в качестве двигателя, является наиболее распространенным типом электрической машины. Подавляющее большинство электродвигателей, работающих в промышленности — асинхронные двигатели. Это объясняется их простотой, надежностью и дешевизной по сравнению с другими типами электродвигателей.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис. 6.1).

Сердечник статора представляет собою стальной полый внутри цилиндр, набранный из тонких листов электротехниче- ской стали, изолированных друг от друга. Этот цилиндр помещен в корпус (станину) двигателя. На внутренней поверхности статора имеются пазы, в которые закладываются катушки статорной трехфазной обмотки.

Сердечник ротора является также цилиндром, набранным из листовой электротехнической стали с пазами на наружной поверхности. Этот цилиндр насаживается на вал ротора. Вал вращается в шариковых или роликовых подшипниках, вмонтированных в подшипниковые щиты. Щиты крепятся к станине двигателя на болты.

В пазы ротора помещается роторная обмотка. В зависимости от конструкции роторной обмотки различают два типа асинхронных двигателей: двигатель с короткозамкнутым ротором

73

Рис. 6.1. Общий вид асинхронного двигателя

и двигатель с фазным ротором. Обмотка короткозамкнутого ротора (см. рис. 6.1) представляет собою ряд стержней, заложенных в пазы ротора и соединенных с обоих торцов накоротко специальными кольцами. Обмотка фазного ротора выполняется, подобно статорной обмотке, из отдельных катушек. Концы обмотки в этом случае выводятся на контактные кольца, насаженные на вал ротора. На кольца накладываются неподвижные щетки, и таким образом создается возможность включения в цепь роторной обмотки в случае необходимости добавочных сопротивлений. Двигатель с фазным ротором, по сравнению с короткозамкнутым, имеет более высокую стоимость и меньшую надежность. Поэтому более распространен двигатель с короткозамкнутым ротором.

ВОПРОСЫ

6.1.1.Каким свойством отличается электротехническая сталь от обычной листовой стали?

6.1.2.Почему сердечники статора и ротора выполняются из отдельных, изолированных друг от друга стальных листов?

а) для удобства изготовления; б) для уменьшения вихревых токов.

74

6.2.Принцип действия асинхронного двигателя

Âоснове действия асинхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, с токами ротора.

Во включенной под напряжение статорной трехфазной обмотке протекает ток. Трехфазный ток статора создает в двигателе вращающееся магнитное поле. Это поле, пересекая при своем вращении проводники роторной обмотки, индуктирует в них электродвижущую силу. ЭДС ротора вызывает ток в роторной обмотке. По закону электромагнитных сил со стороны магнитного поля на роторные проводники с током действуют механи- ческие силы, которые и создают вращающий момент, направленный в сторону вращения поля. Под действием этого момента ротор приходит во вращение. Необходимо особо отметить, что скорость вращения ротора в двигательном режиме всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля (отсюда и название двигателя — «асинхронный», т. е. вращающийся не синхронно

ñмагнитным полем).

ВОПРОСЫ

6.2.1.Почему ротор асинхронного двигателя в двигательном режиме вращается в сторону вращения магнитного поля?

6.2.2.Почему ротор асинхронного двигателя не может вращаться со скоростью магнитного поля?

6.3. Скольжение

Отставание скорости ротора от скорости магнитного поля оценивается особой величиной, которая называется скольжением и обозначается буквой s. Скольжение — это безразмерная величина

ãäå n0 è n — числа оборотов в минуту магнитного поля и ротора соответственно.

75

Числовые значения скольжения асинхронных двигателей в номинальном режиме очень невелики и обычно составляют 0,01–0,05. Теоретически скольжение двигателя может изменяться от до . В двигательном режиме скольжение изменяется в пределах от 0 до 1. Отрицательные скольжения определяют генераторный режим, скольжения 1 — режим противовклю- чения (см. ниже).

ВОПРОСЫ

6.3.1.Чему равно скольжение при неподвижном роторе? а) нулю; б) единице;

в) минус единице.

6.3.2.При каких условиях скольжение будет больше 1,0?

а) когда ротор вращается принудительно навстречу вращению магнитного поля;

б) когда ротор вращается в сторону вращения поля со скоростью, большей скорости поля.

6.3.3. Чему равна скорость ротора двигателя, если s 0,03, a n0 1000 îá/ìèí?

à) 1030 îá/ìèí; á) 970 îá/ìèí.

6.4. Создание вращающегося магнитного поля

Возьмем простейший асинхронный двигатель, каждая фаза статорной обмотки которого состоит из одной катушки (рис. 6.2).

Определим направление и величину магнитного потока двигателя в различные моменты времени t1, t2, t3 и т. д. В момент времени t1 токи по фазам (см. рис. 6.2, ã), будут равны

Соответственно потоки, создаваемые каждой фазой (по абсолютной величине), будут следующими:

A m ; B m ; C m . 2 2

76

Здесь Im è Ôm — максимальный ток и максимальный поток одной фазы соответственно.

Рис. 6.2. Создание вращающегося магнитного поля в двигателе

Откладывая по осям фаз векторы магнитных потоков (с уче- том направления тока в фазах) и складывая их, получаем результирующий магнитный поток (см. рис. 6.2, à). Он будет равен

по величине 3 m и направлен по оси фазы À, по которой в дан- 2

ный момент времени протекает максимальный ток Im. Выполняя аналогичные построения для других моментов времени, например t2 è t3 (ñì. ðèñ. 6.2, á, â), мы убеждаемся, что результирующий магнитный поток по величине остается неизменным

77

ãäå f1 — частота статорного тока.

В машине, имеющей p пар полюсов, за время одного периода поток пройдет часть окружности, приходящуюся на пару по-

люсов, т. е. сделает 1 оборота. Скорость его p

78

ВОПРОСЫ

6.4.1. Как изменится магнитный поток двигателя, статорная обмотка которого соединена звездой, если в одной из фаз обмотки появится обрыв?

а) поток будет неподвижным и пульсирующим;

б) поток останется вращающимся, но по величине уменьшится на 1/3.

6.4.2. Может ли при частоте f1 50 Гц скорость магнитного поля n0 быть равной 1200 об/мин?

а) может; б) не может.

6.5. Обмотки

Статорная обмотка асинхронного двигателя состоит из трех одинаковых фазных обмоток, соединенных между собой чаще всего звездой.

Простейшим элементом каждой фазной обмотки является виток. Несколько витков образуют катушку или секцию, а несколько катушек — катушечную группу. Число катушек в группе равно числу пазов, приходящихся на один полюс и фазу, которое обозначается q:

q z , 2 pm1

ãäå z — полное число пазов статора; 2p — число полюсов машины;

m1 — число фаз статорной обмотки, обычно равное 3. Число пазов на полюс и фазу лежит чаще всего в пределах 2–5. Несколько катушечных групп образуют фазную обмотку.

Число катушечных групп в фазе равно при однослойных обмотках (см. ниже) числу пар полюсов ð, а при двухслойных — числу полюсов — 2ð.

Основная величина, характеризующая обмотку, называется шагом обмотки и обозначается через y.

Шаг обмотки — это ширина катушки (рис. 6.4), выраженная в пазовых делениях (пазовое деление — часть внутренней окружности статора, приходящаяся на один паз). Шаг обмотки выбирается

79

либо равным полюсному делению , т. е. части окружности статора, приходящейся на один полюс, либо близким к нему:

y .

По числу активных сторон катушек, находящихся в одном пазу, обмотки бывают однослойные (в каждом пазу лежит одна сторона катушки) и двухслойные (в каждом пазу в два слоя лежат две сто-

роны двух катушек).

По форме и взаимному расположению катушек обмотки делятся на концентриче- ские, равносекционные (петлевые) и цепные. Развернутая схема однослойной кон-

центрической обмотки показана на рис. 6.5. (Развернутая схема обмотки получается, если разрезать по образующей внутреннюю цилиндрическую поверхность статора и развернуть ее в плоскость.) Катушки концентрической обмотки неодинаковы по своим размерам, что обуславливает неодинаковые сопротивления по фазам и затрудняет механизацию изготовления катушек. Концентрические обмотки в настоящее время применяются редко.

Петлевые равносекционные обмотки (рис. 6.6), выполняемые двухслойными, используются чаще всего. Они наиболее удобны в изготовлении, обеспечивают наименьший расход меди и допускают возможность укорочения шага.

Цепные обмотки (рис. 6.7) являются однослойными обмотками с одинаковыми катушками и находят применение в двигателях небольшой мощности.

По величине шага обмотки делятся на обмотки с полным шагом ( y ) и обмотки с укороченным шагом ( y ). В настоящее время в большинстве случаев применяются обмотки с укороченным шагом, равным приблизительно 0,8. Укорочение шага ослабляет высшие гармоники в кривой распределения магнитного поля в двигателе, приближая ее к синусоиде, и дает некоторое уменьшение расхода меди на обмотку за счет сокращения длины лобовых (торцовых) соединений катушек.

80