Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана.

Дисциплина «Общая электротехника»

Методическое пособие «Асинхронные машины».

Шерстняков Ю.Г.

Компьютерная верстка:

Архипов И.С.

БМТ1-41

http://bmt1-x1.narod.ru

2. АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

2.1. Введение.

Открытие в 1880 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла вращающегося магнитного поля, получаемого с помощью переменных токов, положило начало конструированию многофазных электрических машин. Наиболее экономичной среди многофазных систем переменного тока оказалась система трёхфазного тока, основы которой заложил в 1889-91гг. инженер М. Доливо - Добровольский. Предложенная им конструкция трёхфазного асинхронного двигателя в основных чертах сохранилась до наших дней.

Асинхронные машины используются в основном как двигатели и в настоящее время они наиболее распространены во всех отраслях промышленности благодаря конструктивной простате, низкой стоимости и высокой надежности при минимальном обслуживании. По возможностям регулирования частоты вращения они уступают только двигателям постоянного тока.

2.2.Принцип действия асинхронного двигателя (АД)

В АД одну из обмоток размещают на статоре, а вторую - на роторе. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым (рис.2.1).

О бмотка статора представляет собой трёхфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY, CZ соединяют по схеме "звезда" или "треугольник" и подключают к трёхфазной сети.

Обмотку ротора выполняют также трёхфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Её фазы ах, by, cz в простейшем случае замыкают накоротко. При питании трёхфазным током обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращением которого

где f₁ - частота сети, р - число пар полюсов, образованных обмоткой статора.

Вращающееся поле статора (полюсы N₁ и S₁ на рис.2/1) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. На рисунке показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС в проводниках ротора. При определении направления ЭДС принимают условно поле неподвижным, а проводники - движущимися в направлении, противоположном направлению движения поля (по часовой стрелке). Под действием ЭДС в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора появляются токи. Активная составляющая этих токов совпадает по фазе с ЭДС. При этом условные обозначения (крестики и точки) на рис.2.1 показывают одновременно и направление ЭДС и направление активной составляющей тока.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется с помощью правила левой руки. Суммарное усиление F_ЭМ, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Если этот момент достаточен для преодоления момента сопротивления М_с, то ротор придет во вращение и его установившаяся скорость n₂ будет соответствовать условию М = М_с.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Частота вращения ротора n₂, называется асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля без внешнего вмешательства, так как только в этом случае существует индуктив­ная связь между обмоткой ротора и магнитным полем

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора оценивают скольжением:

или

Очевидно, что в двигательном режиме 1>s>0. На рис.2-2 представлена зависимость между скольжением и скоростью вращения ротора.

Примечание к рисунку: режим тормоза и режим генератора надо поменять местами.

Если с помощью внешнего момента увеличитьчастоту вращения ротора n₂>n₁ ,то изменится направление ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора и, соответственно, направление электромагнитного момента М, который станет тормозным. Это соответствует генераторному режиму работы двигателя, при котором механическая энергия внешнего воз­действия превращается в электрическую энергию, поступая в сеть. В этом режиме S<0.

Если изменить направление вращения ротора за счёт внешнего момента (или магнитного поля) так, чтобы магнитное поле и ротор вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в проводниках ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, т.е. машина будет получать из сети активную мощность. Однако, электромагнитный момент М будет направлен против вращения ротора, т.е. является тормозным. Этот режим работы асинхронной машины называют режимом электромагнитного торможения. При этом n₂<0, a s>1.

Так как частота вращения магнитного поля относительно ротора равна , то частота наводимых в ее обмотке ЭДС и тока

т.е. частота в роторе не постоянная, а изменяется прямо пропорционально скольжению.

2.3. Устройство асинхронных двигателей.

АД состоит из статора и ротора, разделенных воздушным зазором (рис.2-3).

где 1 – лапа для крепления; 2 – кожух вентилятора; 3 и 12 – подшипники; 4 – вентилятор; 5 и 10 – подшипниковые щиты; 6 – корпус; 7 – сердечник статора с обмоткой; 8 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 9 – коробка выводов; 11 – вал.

Активными частями двигателя являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод статора и ротора с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из листов электротехнической стали. Для статора листы штампуют в виде колец с пазами на внутренней стороне. Кольца перед сборкой в пакет изолируют. Пакет запрессовывают в немагнитный корпус (рис.2.4а). В пазы пакета укладывают проводники многофазной обмотки. Обмотки в пазах закрепляют с помощью клиньев и пропитывают специальным лаком для скрепления проводников и улучшения тепло отвода. Концы обмотки выводят на зажимы платы (колодки) и обозначают начала А,В,С, концы X, Y, Z.

Сердечник ротора имеет форму цилиндра, набранного из изолированных листов, имеющих пазы на внешней стороне и посадочное отверстие для вала (рис2.4б). Обмотки ротора подразделяют на короткозамкнутые (к.з) и фазные. В АД малой мощности в основном применяют роторы с к.з. обмоткой - коротко замкнутые роторы. В пазах таких роторов расположены медные или алюминиевые стержни, соединенные с торцов короткозамкнутыми кольцами (рис.2.5) - обмотка «беличья клетка».

В АД большой мощности и в некоторых специальных двигателях малой мощности с целью получения большого пускового момента и широкого регулирования скорости ротора применяют фазные обмотки. В пазы фазного ротора уложена обмотка, выполненная аналогично обмотке статора. Концы фаз обмотки присоединят к контактным кольцам, по которым скользят щетки. Щетки присоединены к пусковым или регулировочным реостатам

2.4.Магнитодвижущая сила однофазной обмотки.

При прохождении тока по обмотке статора образуется МДС, параметры которой зависят от устройства обмотки и протекающих по ней токов. Рассмотрим вначале МДС одной сосредоточенной катушки. Предположим, что на статоре двухполюсной машины (р=1) в диаметральных пазах размещена катушка с числом витков w и шагом τ - межполюсное деление (рис.2.6а). Если по катушке пропустить ток , то он создаст магнитный поток, линии которого показаны на рис.2.6. Каждая силовая линия этого поля сцеплена со всеми витками катушки, поэтому МДС

П ренебрегая магнитным сопротивлением стали, можно считать, что МДС f(t) расходуется на преодоление сопротивления двух воздушных зазоров: , где Н - напряженность магнитного поля в зазоре δ. Отсюда индукция в зазоре - магнитная индукция В прямо пропор­циональна МДС f(t) и в дальнейшем при анализе можно рассматривать только МДС.

Распределение МДС катушки на двух полюсных делениях магнитной цепи АД показано на рис.2-6б, где изображена развертка статора, разрезанного по линии а - а. Как видно, МДС имеет вид двух прямоугольников: положительного и отрицательного. Высота каждого из прямоугольников соответствует МДС F_K, значение которой необходимо для проведения магнитного потока через один воздушный зазор δ, т.е.

В соответствии с изменением i{t) МДС , оставаясь неподвижной в пространстве, будет изменять свое значение и направление согласно уравнению: . Таким образом, при протекании по катушке переменного тока создается пульсирующая МДС. Эта МДС создает в зазоре АД пульсирующее магнитное поле. МДС сосредоточенной обмотки можно разложить в гармонический ряд:

где α - пространственный угол (рис.7). Амплитуда пространственных гармоник МДС:

Полезный магнитный поток в АД создаёт первая (основная) гармоника МДС. Кривая МДС сосредоточенной обмотки имеет большое отклонение от синусоидальной формы, что ведет к ухудшению энергетических показателей машины. Для подавления высших пространственных гармоник МДС обмотку выполняют распределенной (укладывают в нескольких пазах) с укоро­ченным шагом (у<τ ). Вследствие указанных мер МДС фазы обмотки становится практически синусоидальной:

где - амплитуда МДС,