Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

Таким образом, частота вращения поля статора асинхронногодвигателя равна

n₁ = 60 f / p.

При определенной схеме соединения проводников обмоток статора токи, протекающие по обмоткам, могут создавать вращающееся магнитное поле, эквивалентное полю четырех (p = 2), шести (p = 3) и т. д. полюсов магнитов, вращающихся в пространстве.

Число пар полюсов АД влияет на частоту вращения поля в пространстве, а следовательно, и на частоту вращения ротора. Если учесть, что стандартная частота тока в сети f = 50 Гц и число пар полюсов в АД, как правило, ограничивается p = 4, получим следующую таблицу синхронных частот вращающегося магнитного поля в статоре

p	1	2	3	4	и т. д.
n	3000	1500	1000	750

Из сказанного можно сделать вывод, что условиями получения вращающегося магнитного поля в статоре трехфазного АД являются:

– смещение катушек отдельных фаз на 120° в пространстве;

– сдвиг токов в катушках по фазе на 2/3 т. е. во времени на 1/3 периода;

– равенство действующих фазных магнитодвижущих сил (МДС).

В трехфазных асинхронных двигателях число катушек должно быть кратным трем (3, 6, 9, 12 и т. д.).

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он дешевле и обслуживание двигателей с таким ротором значительно проще.

11.2. Устройство трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Эти АД состоят из двух главных частей: неподвижной части статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором (от 0,1 до 1–1,5 мм).

Статор – это полый цилиндр с пазами, собранный из штампованных пластин электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. Делается это для уменьшения потерь в стали за счет уменьшения вихревых токов.

В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки, каждая из которых содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга (чаще всего берут три катушки, находящиеся в соседних пазах).

Распределение фазных обмоток по нескольким пазам улучшает использование цилиндрической конструкции статора и обусловливает необходимое распределение магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором, такая обмотка обеспечивает распределение магнитной индукции, близкое к синусоидальному.

Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов p, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке.

Пакет пластин статора запрессован в корпус-оболочку, который имеет соединительные элементы (лапы, торцевой фланец и т. д.) для крепления к неподвижному жесткому основанию.

Ротор – вращающаяся часть – также набирается из штампованных пластин электротехнической стали, которые запрессовывают на вал, входящий при сборке машины в боковые подшипниковые щиты.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Стержни обмотки замкнуты по торцам кольцами, которые отливаются одновременно со стержнями. Короткозамкнутая обмотка имеет вид «беличьей клетки». Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием. Кроме того, алюминиевая отливка имеет лопасти, обеспечивающие вентиляцию машины.

Такие роторы применяются в машинах малой и средней мощ-ности.

Условное графическое изображение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на схемах замещения и простейшая конструкция самой короткозамкнутой обмотки представлены на рис. 84, а, б.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.

11.3. Устройство асинхронных двигателей с фазным ротором

АД с фазным ротором дороже и сложнее в изготовлении, поэтому они применяются в приводах достаточно большой мощности (до 100 кВт) или в тex случаях, когда необходимо регулировать частоту вращения двигателя при неизменной нагрузке. Кроме того, АД с фазным ротором имеют улучшенные пусковые характеристики, а именно – уменьшается пусковой ток и увеличивается начальный вращающий момент.

Статор – неподвижная часть – устроен так же, как и у АД с короткозамкнутым ротором.

Ротор – вращающаяся часть – устроен по другому. В пазы фазного ротора укладываются не стержни, а проводники катушек обмотки. Концы фаз обмотки ротора соединены в звезду, а начала выводятся к изолированным друг от друга и от вала двигателя контактным кольцам, укрепленным на нем. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях.

Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату, что дает возможность существенно улучшить условия пуска – уменьшить пусковой ток и увеличить начальный вращающий момент, а также плавно регулировать скорость двигателя.

Н а рис. 85 приведено условное графическое обозначение АД с фазным ротором на схемах замещения.

В обоих видах двигателя – с короткозамкнутым или фазным ротором – обмотка ротора от внешнего источника энергии не питается.

11.4. Принцип действия асинхронных двигателей

В статоре асинхронного двигателя создается вращающееся магнитное поле. Это поле, пересекая обмотки неподвижного ротора, наводит в них ЭДС по закону электромагнитной индукции (), а так как цепь обмотки ротора замкнута, то в ней появляется ток ( где – комплексное сопротивление обмотки ротора).

Ток ротора создает магнитное поле ротора, которое вращается в пространстве с такой же скоростью, как и поле статора. В результате сложения полей статора и ротора в АД создается результирующее магнитное поле. От взаимодействия токов ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий момент, который принуждает ротор вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.

Частота вращения, с которой магнитное поле вращается в пространстве, называется синхронной частотой , частота вращения ротора n₂ всегда меньше синхронной частоты вращающегося поля, она называется асинхронной, т. е. вращение ротора всегда отстает от вращения поля статора.

Разность между n₁ и n₂ называется скоростью скольжения, а отношение называется скольжением.

Скольжение – это основной параметр асинхронного двигателя. Чем больше момент сопротивления на валу, тем больше должно быть скольжение. Скольжение может выражаться в процентах или в относительных единицах.

При неподвижном роторе, когда n₂ = 0, скольжение s = 1 (режим пуска АД). Реально, скольжение меняется от 0,02 до 0,08. Обычно АД проектируют так, чтобы при холостом ходе s_х = 0,001  0,005, а при номинальном режиме s_н = 0,05.

В зависимости от величины скольжения различают следующие режимы работы АД:

– режим двигателя (0 < s < 1) – трехфазная асинхронная машина является преобразователем электрической энергии в механическую;

– режим генератора (s < 0) – трехфазная асинхронная машина является преобразователем механической энергии в электрическую;

– режим электромагнитного тормоза (s > 1) – ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора.

Вращающий момент, развиваемый двигателем, также зависит от его скольжения.

Скольжение, при котором двигатель развивает максимальный момент, называется критическим (s_кр). Критическое скольжение достигается при противодействующем моменте на валу M_пр  M_max, после чего двигатель останавливается.

Зависимость момента двигателя от его скольжения описывается приближенной формулой Клосса

,

где M_max – максимальный момент, который может развить АД; s_кр – критическое скольжение; M и s – текущие эначения момента и скольжения.

Графическая зависимость M_max = f (s), где I – рабочий режим; II – режим перегрузки; III – режим неустойчивой работы, представлена на рис. 86.

11.5. Характеристики асинхронного двигателя

11.5.1. Механические характеристики

Механической характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора n₂ от электромагнитного момента M при постоянном напряжении сети U₁. В установившемся режиме этот момент равен противодействующему моменту рабочего механизма.

Механическую характеристику можно получить из кривой M_max = f (s), используя соотношение n₂ = n₁ (1 – s). По этому соотношению рассчитывается значение частоты вращения ротора n₂ для нескольких значений скольжения (0 < s < 1). Для этих же значений скольжения по кривой M = f (s) определяются соответствующие значения моментов M. Синхронная частота вращения n₁ подсчитывается по формуле

,

которая для данного типа двигателя является величиной постоянной. Тогда получается механическая характеристика n = f (M), представленная на рис. 87.

Участок характеристики d–c–b соответствует разгону двигателя. В точке b – максимальный момент, до которого разгоняется двигатель на холостом ходу. Точка c соответствует минимальному моменту, который возникает при пуске из-за конструктивных особенностей некоторых АД.

Участок характеристики a – b соответствует установившемуся режиму работы двигателя. Этот участок соответствует устойчивой работе АД, когда M_вр  M_max. На установившемся участке как бы ни изменялся тормозной момент рабочего механизма, асинхронный двигатель может изменить свой вращающий момент (M_вр) так, что условие его устойчивой работы сохраняется (свойство саморегулирования двигателя).

Когда же тормозной момент рабочего механизма станет равным максимальному M_max, вращающий момент двигателя начинает уменьшаться и двигатель, в конце концов, останавливается, поэтому M_max иногда называют опрокидывающим моментом.

Механические характеристики могут быть жесткими и мягкими.

Жесткая механическая характеристика – та, при которой на большом значении изменения момента частота вращения ротора мало меняется.

Мягкая механическая характеристика – та, при которой на небольшом значении изменения момента частота вращения ротора резко меняется.

Жесткость механической характеристики определяется отношением изменения момента на определенном участке к изменению частоты вращения двигателя на этом же участке

.

Ум 15

Механическая характеристика при R_д = 0 называется естественной механической характеристикой. Она соответствует механической характеристике АД с короткозамкнутым ротором и является достаточно жесткой (частота вращения ротора мало меняется при изменении момента).

Механические характеристики, при R_д1 > 0 и R_д2 > R_д1 называются искусственными механическими характеристиками, причем, чем больше значение сопротивления R_д, тем они становятся более мягкими.