Lektsia_15 (Лекции Васюкова)

Лекция № 15. Асинхронные двигатели15.1. Устройство асинхронного двигателяТрехфазные асинхронные двигатели широко применяют в промышленности благодаря простоте их конструкции, высокой надежности и меньшейстоимости по сравнению с другими типами двигателей. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора.

Статор неподвижен, ротор вращается. В зависимости от конструкции обмотки ротора различают двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Асинхронная машина, как и все электрические машины, обратима, т. е. она может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.Внешний вид асинхронного двигателя тока показан на рис. 15.1 а, короткозамкнутый ротор на рис. 15.1 б, а ротор с контактными кольцами (фазный ротор) – на рис. 15.1 в.Рис.

15.1. Устройство асинхронного двигателя: 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4 – вал; 5– сердечник ротора; 6 – обмотка ротора; 7–стержни; 8 – замыкающие кольца; 9 – контактные кольца; 10 – щетки.Статор состоит из массивного стального корпуса 1, сердечника (магнитопровода) 2 и обмотки статора 3. Сердечник статора 2 имеет форму пологоцилиндра с равномерно расположенными на внутренней поверхности пазамиосевого направления. Он представляет собой пакет, набранный и спрессованный из отдельных тонких листов электротехнической стали (толщиной 0,5 или0,35 мм), отштампованных в виде колец с равномерно расположенными вдольвнутренней окружности выступами и впадинами, которые при сборке образуют пазы.

Листы до сборки в пакет с обеих сторон покрывают изоляционнойпленкой (окалиной или лаком) для уменьшения вихревых токов, возникающихв сердечнике при работе машины, и снижения потерь энергии в ней.В пазах сердечника размещают трехфазную обмотку 3, выполненную изизолированного медного (реже алюминиевого) провода. Сердечник статора собмоткой расположен (обычно запрессован) внутри корпуса 1, который отливают из чугуна или алюминиевого сплава. К корпусу статора крепятся два литых подшипниковых щита со сквозными центральными отверстиями для подшипников, в которых вращается вал ротора 4.Каждая из трех обмоток статора называется фазой, начала обмоток обозначаются A, B, C, концы обмоток – X, Y, Z. Концы обмотки статора присоединены к зажимам, расположенным в коробке выводов, укрепленной на корпусе двигателя.

Обычно выводят все шесть концов трехфазной статорной обмотки. Зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквамиС1, С2, С3, концы обмоток соответственно С4, С5, С6. Обмотки двигателеймалой и средней мощности изготавливают на напряжения 380/220 и 220/127 В.Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником.Вращающаяся часть машины – ротор, состоит из сердечника 5, обмотки6 и вала 4. Сердечники статора и ротора разделены небольшим (обычно0,1...0,4 мм) воздушным зазором.Сердечник ротора 5, являющийся частью магнитопровода, представляетсобой спрессованный из отдельных тонких листов электротехнической сталипакет, имеющий форму цилиндра с продольными пазами по наружной поверхности и центральным отверстием для вала.У двигателей с короткозамкнутым ротором обмотка представляет собойвставленные в пазы сердечника неизолированные медные или алюминиевыестержни 7, торцы которых с обеих сторон соединены короткозамыкающимикольцами 8, выполненными обычно из того же материала, что и стержни.

Такую короткозамкнутую обмотку называют также «беличьей клеткой» (рис.15.1 б). В двигателях мощностью до 100 кВт она чаще всего выполняется путем заливки пазов расплавленным алюминием под давлением.Фазную обмотку ротора (рис. 15.1 в) выполняют так же, как и обмоткустатора. Она всегда соединяется звездой. Начала фаз обмотки присоединяют кконтактным кольцам 9, которые изготовляют из стали или латуни и располагают на валу двигателя.

Кольца изолированы друг от друга, а также от валадвигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки 10,расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактныхколец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор rД , который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).15.2. Вращающееся магнитное поле и принцип действия двигателяРазместим на внутренней поверхности статора (рис. 15.2) в пазах три катушки АХ, ВУ и СZ так, чтобы их оси А, В и С образовали между собой углыпо 120°, и подадим на них трехфазное напряжение.Рис. 15.2.

Получение вращающегося магнитного поля.Каждая катушка в отдельности создает переменное поле, наибольшаяиндукция которого в любой момент имеет место на оси катушки. Распределение индукции вдоль окружности статора имеет обычно близкий к синусоидальному характер. Это достигается за счет соответствующей укладки витковобмотки в пазы статора. В произвольной точке М воздушного зазора, положение которой определяется углом  , магнитная индукция от катушки АBA  BA0  cos  ,где BA0 - индукция в точке N на оси А.

В той же точке М, положение которойотносительно осей В и С определяется углами 120   и 120   , индукцияот катушки ВBB  BB 0  cos(120   ),где BB 0 - индукция от катушки В в точке Q на ее оси, а индукция от катушкиСBC  BC 0  cos(120   ),где BC 0 - индукция от катушки С в точке Р на ее оси. Так как в любой точкевоздушного зазора магнитные линии имеют радиальные направления, то магнитная индукция В суммарного поля и точке М равна сумме индукции от трехкатушек:B  B A0  cos   BB 0  cos(120   )  BC 0  cos(120   ).Если катушки имеют одинаковое число витков и питаются одинаковымипо величине напряжениями, сдвинутыми между собой по фазе на 120°, то индукция каждой катушки на ее оси будет иметь одинаковую амплитуду Bm иможет быть выражена формулами:BA0  Bm  sin t ,BB 0  Bm  sin(t  120 ),BC 0  Bm  sin(t  120 ).Подставляя эти выражения В предыдущую формулу, приведем ее к виду:B  Bm [sin t cos   sin(t  120 ) cos(120   )  sin(t  120 ) cos(120   )].Пользуясь известной тригонометрической формулойsin A  cos B sin( A  B )  sin( A  B),2получим sin(t   )  sin(t   ) sin(t   )  sin(t    240 ) 22.B  Bm  sin(t    240 )  sin(t   )2Имея в виду, чтоsin(t   )  sin(t    240 )  sin(t    240 )  0как сумма трех синусоидально изменяющихся величин одинаковой амплитуды, сдвинутых между собой по фазе на 120°, преобразуем формулу к видуB3Bm sin(t   ).2Таким образом, в одной и той же точке (  const ) индукция изменяетсяво времени синусоидально с амплитудой, равной3Bm , а в один и тот же мо2мент времени (t  const ) имеет синусоидальное распределение в воздушномзазоре.Найдем, в какой точке, т.е.

при каком значении  величина В будет по-ложительна и равна своему максимальному значению в заданный момент t.Это будет там, гдеsin(t   )  1  t      t  .22Это выражение показывает, что точка максимальной индукции перемещается по окружности воздушного зазора с угловой скоростью .Таким образом, от сложения трех переменных полей, смещенных в пространстве на углы по 120° и взаимно сдвинутых по фазе на 1/3 периода, получается постоянное по амплитуде равномерно вращающееся магнитное поле.Если катушку С питать током фазы В, а катушку В – током фазы С, т. е.изменить последовательность фаз на обратную, направление вращения полятакже изменится.Для иллюстрации образования вращающегося магнитного поля воспользуемся графоаналитическим методом, с помощью которого построим картинумагнитного поля для двух моментов времени периода переменного тока.В момент времени t1 (рис.

15.3 а) распределение токов в фазах имеетвид:i A (t1 )  0, iB (t1 )  0, iC (t1 )  0.Ток фазы А положительный и, следовательно, направлен от начала кконцу обмотки (рис. 15.3 б). В фазах В и С токи отрицательные, их действительное направление будет от конца к началу обмотки (рис. 15.3 б). Картинамагнитного поля показана в виде двух силовых линий, одна из которых замыкается вокруг проводников с положительными токами, а другая – вокруг проводников с отрицательными токами.

В результате формируется двухполюсноемагнитное поле с пространственным распределением полюсов, показанным нарис. 15.3 б.В момент времени t2 (рис. 15.3 а) распределение токов в фазах имеетвид:i A (t1 )  0, iB (t1 )  0, iC (t1 )  0.Ток в фазе В поменял знак, что привело к изменению картины магнитно-го поля (рис. 15.3 в) и повороту его полюсов на некоторый угол против часовой стрелки. Таким образом, с течением времени полюса N и S обегают поверхность ротора, образуя вращающееся магнитное поле.Рис. 15.3.

К пояснению образования вращающегося магнитного поля.Если на статоре вместо рассмотренных трех катушек (рис. 15.2) разместить 3p катушек (где р – любое целое число), т.е. в р раз уменьшить расстояние между катушками, то, например, распределение индукции фазы А выразится формулойBA  BA0  cos p .В соответствии с этим и формула результирующего поля трех фаз примет видB3Bm sin(t  p ).2Поставив снова вопрос, при каком значении  величина В будет максимальна, получим:t,p2pт.