Устройство и принцип действия асинхронной машины

Устройство асинхронной машины. Неподвижная часть машины переменного тока называется статором, а подвижная часть —

ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин собираются из листов электротехнической стали (рис. 19-1), которые до сборки обычно покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком. Сердечники машин малой мощности иногда собираются из листов без лакового покрытия, так как в этом случае достаточной изоляцией является естественный или искусственно созданный слой окислов на поверхности листов стали.

На рис. 19-2 представлена фотография асинхронного двигателя малой мощности в разобранном виде, на которой видны статор, ротор и подшипниковые щиты. На рис. 19-3 дан чертеж асинхронного двигателя средней мощности.

Рис. 19-1. Листы сердечников статора (1) и ротора (2) асинхронной машины малой и средней мощности

Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора -на валу^ (машины малой и средней мощности) или на ободе с кое-стовинои и втулкой, надетой на вал (машины большой мощности) Вал ротора вращается в подшипниках, которые помещаются в подшипниковых щитах, прикрепляемых к корпусу статора (машины ковых "стопках^{11 М0ЩН0Сти)}' ^{или на} сдельно стоящих подшнпни

На ^внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической же поверхности ротора имеются пазы,

Рис. 19-2. Фотография асинхронного Двигателя с короткозамкнутым ротором типа А71-6 мощностью 14 кет в разобранном виде

в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Обмотка статора выполняется обычно трехфазной (см. гл. 21); присоединяется к сети трехфазного тока и называется поэтому также первичной обмоткой. Обмотка ротора тоже может быть выполнена трехфазной аналогично обмотке статора. Концы фаз такой обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и металлографитных щеток выводятся наружу (рис. 19-3). Такая асинхронная машина называется машиной с фазным ротором. К контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Фазная обмотка ротора выполняется с тем же числом полюсов магнитного поля, как и статор.

Другая разновидность обмотки ротора —обмотка в виде беличьей клетки (рис, 19-4). При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней

с обоих торцов ротора соединены с медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Стержни от сердечника обычно не изолируются. В машинах мощностью до 1QG к&п стержни и кольца вместе с крылышками для вентиляции обычно изготовляются путем заливки ротора алюминием

Рис 19-3 Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором 180 кет,

975 об/мин

1 — кабельная муфта, 2 — выводная коробка концов обмотки статора, 3 — кольце--вые шпонки крепления сердечника ротора, 4 — нажимные шайбы сердечника ротора, 5 — вал рртора, 6 и 30 — шариковый и роликовый подшипники, 7 — медные соедини* тельные хомутики стержней обмотки ротора, 8 —^ диффузоры для направления поступающего, через подшитшковые щиты охлаждающего воздуха, 9 — стержни обмотки^ ротора, '10 — бандажные кольца, // — обмотка статора, 12 — проволочные бандажи,! ротора, 13 — подъемные кольца, /* — дуговые шпонки, 15 — кольцевые изоляционный прокладки, 16 — радиальные вентиляционные каналы, 17 — сердечник ротора, IS —>j литой корпус „статора, 19 — сердечник ст»тора, 20 и 21 — нажимные мдьщы и кольцу сердечника статора, 22 — кольцо для соединения концов обмотки ротора в звезду, 23 — «междукатушечные и междугрупповые соединения обмотки статора, 34 — выводы кок* цов обмотки ротора к контактным кольцам,. 25 и 27 — коробка и колпак контактных колец, 26 — контактные кольца, 28 — подвижная втулка с контактами для замыкана^. выводов обмотки ротора накоротко, 29 — муфта для вывода кондов обмотки ротрра

к внешней цепи

(см. рис. J9-2). Такая асинхронная машина называется машиной е короткозамкнутым ротором. Большинство аснш хронных машин, в особенности машины малой и средней мощности, выпускается с короткозамкнутым gpTopOM.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах выполняется минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. В машинах мощностью в несколько киловатт величина зазора

составляет 0,4—0,5 мм, а в машинах большой мощности — несколько миллиметров.

Асинхронные машины, как правило, охлаждаются воздухом. Системы вентиляции в принципе являются такими же, как и у машин постоянного тока (см. § 8-5).

Вращающееся магнитное поле. На рис. 19-5 представлены поперечные разрезы двухполюсного (2р — 2) асинхронного двигателя и показан характер магнитного поля статора для двух моментов времени.

На рис. 19-5 изображена простейшая обмотка статора, когда каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1-я фаза — проводники А и X, 2.-я фаза — проводники В и Y, 3-я фаза — проводники С и Z)¹. Проводники каждого витка (фазы) расположены -друг от друга на расстоянии полюсного деления

где D_a — диаметр внутренней расточки статора, ар — число пар полюсов.

На рис. 19-5 полюсное деление составляет замкнутая обмотка ро-половину окружности. Шаг витка или обмот- тора в виде беличьей ки у поэтому является полным {у = т). Двои- клетки

ному полюсному делению 2т соответствует угол по окружности статора 360° эл. Начала фаз А, В, С сдвинуты относительно друг друга на 120° эл., что в данном случае составляет треть окружности.

На рис. 19-5, а показаны направления токов в проводниках обмотки статора для момента времени, когда i_a — I_m и i_b = i_c =

— — *}т- Токи фаз на рис. 19-5 считаются положительными, когда

они в началах фаз (проводники А, В, С) направлены за плоскость чертежа. На рис. 19-5, б показаны направления токов для момента времени, когда фазы токов изменились на 30° и

Из рис. 19-5 видно, что распределение токов по окружности статора составляет две зоны, каждая Величиной т, причем направ-

¹ Согласно ГОСТ 183—66, начала фаз обмоток статора обозначаются С₁₍ С₂, С₃, их концы — соответственно С₄, С₈, C_g, а начала фаз обмоток ротора — Pi, P₂> ^з-В данной книге в методических целях начала трехфазных обмоток всюду обозначаются А, В, С или а, Ь, с, а концы — соответственно Л, Y, Z или х, у, г.

ления токов в этих зонах противоположны. В нижней части рис. 19-5 изображены кривые распределения токов вдоль развернутого статора.

|Из этих кривых видно, что токи распределены на поверхности статора по синусоидальному закону.

Токи проводников обмотки статора двухполюсной машины создают, как следует из рис. 19-5, двухполюсный магнитный поток

Рис. 19-5. Простейшая обмотка статора асинхронной машины с 2р = 2 и ее магнитное поле

Ф₁₍ проходящий через статор, ротор и воздушный зазор между ними. Из сравнения рис. 19-5, аи б видно, что при изменении фазы токов на 30° кривая распределения токов и магнитный поток поворачиваются в направлении следования фаз также на 30° эл.

Ось витка (обмотки) фазы А на рис. 19-5 направлена горизонтально, и ось магнитного потока при i_a = l_m (рис. 19-5, а) также направлена горизонтально. Ясно, что если фаза токов по сравнению с рис. 19-5, а изменится на 120° и поэтому будет i_b = I_m, то магнитный поток будет направлен по оси фазы В, т. е. повернется на 120° эл. В момент времени, когда i_c — I_m, ось магнитного потока совпадает с осью фазы С и т. д.

Таким образом, обмотка статора двухполюсной машины при питании ее трехфазным током создает двухполюсное вращающееся магнитное поле.

При этом за один период изменения тока поле поворачивается на 2 т или 360° эл.

Скорость вращения поля

ⁿi — h об/сек,

где fi — частота тока статора.

Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А, В, С обмотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно переменить местами на зажимах обмот- У ки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети.

При 2р = 4 полюсное деление составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трехфазной обмотки статора (рис. 19-6) состоит из двух витков с шагом у = х, которые сдвинуты относительно друг друга на 2т и могут быть соединены друг с другом последовательно или параллельно. Отдельные фазы и их начала А, В, С при этом также сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или в данном случае на ¹/₆ окружности. Из рис. 19-6 видно, что такая обмотка создает кривую распределения тока и магнитное поле с 2р = 4. Это поле также является вращающимся и за один

период тока поворачивается тоже на 2т или в данном случае на половину окружности, вследствие чего скорость поля

п_г = у, обIсек.

В общем случае можно изготовить обмотку с 2р = 6, 8, 10 и т. д. При этом будет получаться кривая распределения тока и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается со скоростью

Рис. 19-6. Простейшая обмотка

статора асинхронной машины с

2р — 4 и ее магнитное поле

Линейная окружная скорость вращения поля вдоль окружности статора

При стандартной в СССР частоте промышленного тока / = 50 гц получаются скорости вращения поля, указанные в табл. 19-1.

Таблица 19-1

Скорость вращения магнитного поля обмоток с различными числами пар полюсов р при Л = 50 гц

р
Пх, Об/MUH

При конструировании обмоток переменного тока стремятся к тому (см. гл. 21), чтобы распределение индукции вращающегося поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности ближе к синусоидальному.

Ниже в данной главе будет предполагать, что это распределен ление является синусвидальным.

Принцип действия асинхронной машины. Магнитный поток Ф₁₍создаваемый обмоткой статора (рис. 19-5 и 19-6), при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктирует в них э. д. с. е_п, и если обмотка ротора замкнута, то в ней возникают токи ц, частота которых f₂ при неподвижном роторе (я = 0) равна первичной частоте f_t.

Если обмотка ротора является трехфазной, то в ней индуктируется трехфазных ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, число полюсов 2 р, направление и скорость вращения которого при п = 0

такие же, как и у потока статора. Поэтому потоки Ф_г и Ф_а вращаются синхронно и образуют общий вращающийся поток двигателя Ф. При короткозамкнутом роторе в его стержнях индуктируется многофазная система токов % со сдвигом в соседних Стержнях по фазе на угол

где Z₂ — число стержней ротора. Эти токи также создают вращающийся поток Ф₂, число полюсов, направление и скорость вращения которого являются такими же, как и у потока фазного ротора. Поэтому и в данном случае в двигателе образуется общий магнитный поток Ф. Ввиду существования общего вращающегося магнитного поля можно рассматривать э. д. с, индуктируемые в обмотках этим полем.

В результате взаимодействия токов ротора с потоком возникают действующие на проводники ротора механические силы F и вращающий электромагнитный момент М.

В верхней части рис. 19-7 показаны вращающаяся со скоростью i>i синусоидальная волна общего магнитного поля В мащины и направления э. д. с. е₂, индуктируемых этим полем в стержнях неподвижного короткозамкнутого ротора. В нижней части рис. 19-7 показаны направления токов стержней, ц и действующих на них сил F для двух случаев: когда угол сдвига фаз'фа между е, и г₂ равен нулю и когда ■ф₂ = 90, При % = 0 все силы действуют в сторону вращения- поля. Поэтому вращающий момент

Рис 19-7. Токи в стержнях обмотки ротора и действующие на них силы

отличен от нуля и также действует в сторону вращения поля. В то же время при т|э_а = 90° силы действуют в разные стороны

и М = 0.

Отсюда следует, что вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора

Этот вывод имеет общий характер и справедлив также для других видов машин переменного тока.

Цепь ротора асинхронного двигателя всегда обладает определенным активным сопротивлением, и поэтому при пуске двигателя {п = 0) всегда 0 < t|)₂ < 90°. В результате развиваемый момент М > Q, и если он больше статического тормозного момента на валу, то ротор двигателя придет во вращение в направлении вращения поля с некоторой скоростью п <; п_ъ т. е. будет вращаться с некоторым отставанием, или скольжением, относительно поля статора,

Относительная разность скоростей вращения поля и ротора

называется скольжением. Скольжение выражается также в процентах:

Скорость ротора п, выраженная через скольжение s, согласно формуле (19-6), равна

При пуске двигателя (п = 0) имеем s = 1, а при вращении ротора синхронного с полем статора или, как говорят, с синхронной скоростью (п = п_г) будет s = О. При п = п_х магнитное поле статора относительно ротора неподвижно и токи в роторе индуктироваться не будут, поэтому М = 0 и такой скорости вращения двигатель достичь не может. Вследствие этого в режиме двигателя всегда 0 < /г <п_х и l>s>0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем проводников ротора пропорциональна разности скоростей tii — п и частота тока в обмотке ротора

Подставив сюда значение п из формулы (19-7) и затем значение п_х из (19-2), получим

т. е. вторичная частота пропорциональна скольжению.

При частоте тока /₂ < f_t скорость вращения поля ротора относительно самого ротора п_2р также меньше п_г и на основании выражения (19-9)

Скорость вращения поля ротора относительно статора в соответствии с выражениями (19-7) и (19-10)

т. е. скорость вращения поля ротора относительно статора при любой скорости вращения ротора п равна скорости вращения поля статора п_х. Поэтому поля статора и ротора при вращающемся роторе также вращаются всегда синхронно и образуют общее вращающееся поле.

Отметим, что представленная на рис. 19-7 картина направлений токов и механических сил действительна и при вращении ротора, когда 0 < п < п_х (двигательный режим).

Если ротор асинхронной машины с помощью внешней силы (вращающего момента) привести во вращение в направлении вращения поля статора со скоростью выше синхронной (п > п_г), то ротор будет обгонять поле и направления индуктируемых в обмотке ротора токов по сравнению с изображенными на рис. 19-7 изменяется на обратные. При этом изменяется на обратные также направления электромагнитных сил F и электромагнитного момента М. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Согласно выражению (19-6), в режиме генератора s < 0.

Если ротор вращать в направлении, обратном направлению вращения поля статора (п < 0), то указанные на рис. 19-7 направления е₂, /₂ и F сохраняется. Электромагнитный момент М будет действовать в направлении вращения поля статора, но будет тормозить вращение ротора. Этот режим работы асинхронной машины называется режимом противовключения или р е-жимом электромагнитного тормоза. В этом режиме в соответствии с выражением (19-6) s> 1.

Более подробно режимы работы асинхронной машины рассматриваются в последующем разделе. Здесь, однако, надо отметить, что соотношение (19-11), как нетрудно усмотреть, сохраняется при любом режиме работы, при любом значении s, т. е. поля статора и ротора вращаются синхронно в любом режиме работы асинхронной машины.

Дата добавления: 2015-07-18