Принцип действия асинхронного двигателя. Скольжение. Частота тока ротора.

Трехфазный асинхронный двигатель. Асинхронные машины – это машины переменного тока. Асинхронный – означает неодновременный. Имеется в виду, что частота вращения магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Создателем этой простой по конструкции, но удобной и надежной в работе машины является русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Асинхронный двигатель, впервые разработанный в 1889 году, практически не подвергся серьезным изменениям до наших дней. Асинхронные машины работают в режиме двигателя и генератора. Перед другими двигателями асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ. Они могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными. Асинхронные генераторы имеют характеристики значительно хуже, чем у синхронных, поэтому синхронные генераторы практически не применяются.

Конструкция асинхронного двигателя. В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.Основными конструктивными элементами асинхронного двигателя являются неподвижный статор и подвижный ротор (рис.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором от 0,1 мм до 1,5 мм. Пакет статора c целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внутренней полости статора имеются пазы, в которые укладываются провода обмотки.

Листы статора перед сборкой в пакет изолируют слоем лака или окалины, полученной при их отжиге

В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 1200. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины.

В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой (рис.2). Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.

 

 

 

Двигатели большой мощности имеют на роторе фазную обмотку. Конструкция ее аналогична обмотке статора. Концы этой обмотки выведены на контактные кольца. С помощью этих колец и токосъемных щеток к обмотке ротора подключают дополнительные сопротивления.

Принцип образования вращающегося магнитного поля. На статоре трехфазного двигателя расположены 3 обмотки (фазы), которые смещены в пространстве по отношению друг к другу на 1200.

Токи, подаваемые в фазные обмотки, отодвинуты друг от друга во времени на 1/3 периода (рис.3.).

 

 

Используя график изменения трехфазного тока, проставим на нем несколько отметок времени; tl, t2, t3,...tn. Наиболее удобными будут отметки, когда один из графиков пересекает ось времени.

Теперь рассмотрим электромагнитное состояние обмоток статора в каждые из принятых, моментов вермени. Рассмотрим вначале точку t1. Ток в фазе А равен нулю, в фазе С он будет положительным (+), а в фазе В - отрицательным (·) (рис. 4, а).

Поскольку каждая фазная обмотка имеет замкнутую форму, то конец фазной обмотки В-У будет иметь противоположный знак, т.е. У - (+), а конец Z обмотки C-Z - (·).

Известно, что вокруг проводника с током всегда образуется магнитное поле. Направление его определяется правилом правоходового винта ("буравчика").

Проведем силовую магнитную линию вокруг проводников С и У и, соответственно, В и Z (см. штриховые линии на рис. 4 a).

Рассмотрим теперь момент времени t2. В это время тока в фазе В не будет. В проводнике А фазы А-Х он будет иметь знак (+), а в проводнике С фазы C-Z он будет иметь знак (·). Теперь проставим знаки: в проводнике Х - (·), а в проводнике Z - (+).

Проведем силовые линии магнитного поля в момент времени t2 (рис. 4,б). Заметим при этом, что вектор  совершил поворот.

Аналогичным образом проведем анализ электромагнитного состояния в фазных обмотках статора в момент времени t3,…tn (рис. 4, б, в, г, д).

Из рисунков 4(а,б,в,г,д) наглядно видно, что магнитное поле в обмотках и его поток Ф совершают круговое вращение.

Частота вращения магнитного поля статора определяется следующей формулой:

где f - частота тока питающей сети, Гц; p - число пар полюсов.

Если принять f=50 Гц, то для различных чисел пар полюсов (р=1, 2, 3, 4,) n₁=3000, 1500, 1000, 750, об/мин.

 

Принцип действия асинхронного двигателя. Скольжение. Частота тока ротора. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу - F_эм. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.

Частота вращения ротора n₂ будет всегда меньше синхронной частоты n₁, т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой n₂ равной частоте вращающегося поля статора n₁. В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно c полем статора. Разность между частотами поля статора n₂ и ротора n₁ называется частотой скольжения -n.

.

Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:  

 

В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение Sн обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение (1), получим выражение частоты вращения ротора:

Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора - вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается.

ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения n. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС E₂, частота которой f₂ связана со скольжением S:

Учитывая, что f₁=рn₁/60, f₂=рn₁S/60.

Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при f₁=50 Гц).

Магнитные поля и ЭДС асинхронного двигателя. При подключении обмотки статора к сети возникают токи I₁, создающие вращающийся магнитный поток Ф. Большая часть магнитного потока сцепляется с обмотками ротора и статора. Это будет основной поток обмотки статора. Некоторая часть магнитного потока рассеивается в пространстве. Назовем его потоком рассеяния Ф_рс. Он cцепляется только с витками собственной обмотки.

Основной магнитный поток асинхронного двигателя, вращаясь в пространстве, пересекает обмотку статора со скоростью n₁ и обмотку ротора со скоростью n₂, наводя в них основные ЭДС:

;

где W₁k₁ и W₂k₂ - произведения чисел витков на обмоточные коэффициенты; Е_2s=Е₂S.

Потоки рассеяния Ф_рс1 Ф_рс2 наводят в обмотках ЭДС рассеяния Е_р1 и Е_р2, которые, как в трансформаторе, могут быть выражены через соответствующие токи I₁ и I₂ и индуктивные сопротивления х₁ и х_2s.

;

где х₁ и х_2s - индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора.

Помимо названных выше ЭДС, в обмотках статора и ротора имеют место активные падения напряжения, которые компенсируются соответствующими ЭДС E_r1 и Е_r2.

Основные уравнения асинхронного двигателя. Составим основные уравнения асинхронного двигателя.

Напряжение U₁, приложенное к фазе обмотки статора, уравновешивается основной ЭДС E₁, ЭДС рассеяния и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки статора:

 

В роторной обмотке аналогичное уравнение будет иметь вид:

Но т.к. роторная обмотка замкнута, то напряжение U₂=0, и если учесть еще, что E_2s=SE₂ и х_2s=Sх₂ , то уравнение можно переписать в виде:

Уравнение токов асинхронного двигателя повторяет аналогичное уравнение трансформатора:

,

где

.

Основная литература: [2(417-431),3(401-420), 4(382-396)]

Дополнительная литература: [6 (212-222)]

 

 

Контрольные вопросы:

1. Объясните устройство и принцип действия асинхронного двигателя. [4 (401-406)]

2. Поясните, как образуется вращающееся магнитное поле.  [4 (406-413)]

3. Дайте определение скольжения. Чему равно скольжение в момент пуска, холостого хода,

торможения?   [4 (416-417)]

4. Запишите основные уравнения асинхронного двигателя. Каков их физический смысл?   [4 (416-420)]

 

 

Тестовые задания к Лекции 13:

1. Каков сдвиг фаз между токами соответственно двухфазной и трехфазной системах?

a) 90 и 90^о; 

b) 90 и 120^о;

c) 180 и 120^о;  

d) 120 и 90^о;  

e) 240 и 120^о.

 

2. Какая из частей асинхронного двигателя не может быть изготовлена из указанных материалов?