Трехфазного асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели наиболее распространены в электроприводах различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии преобразуется в механическую, в основном с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были более 100 лет назад русским ученым М.О. Доливо-Добровольским. Мощность двигателей колеблется от десятков ватт до сотен киловатт.

Асинхронные двигатели изготавливаются в однофазном, двухфазном и трехфазном исполнении.

Конструктивно асинхронный двигатель состоит из статора и ротора (Рис.4.1). Статор представляет собой литой корпус (стальной, алюминиевый или чугунный) цилиндрической формы. Внутри корпуса располагается магнитопровод, в пазы которого укладываются статорные обмотки. Магнитопровод набирается из тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Концы обмоток выводятся в клеммную коробку и в трехфазных двигателях могут быть соединены как треугольником, так и звездой. Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессованы подшипники вала ротора. Ротор состоит из стального вала с напрессованным на него магнитопроводом.

Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник, собранный, как и магнитопровод статора, из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали. Сердечник ротора напрессован на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагается обмотка ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической конструкции (так называемое «беличье колесо») из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются или заливаются в пазы сердечника ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни.

Рис. 4.1 – Асинхронный двигатель

Обмотка фазного ротора (Рис.4.2) выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их подсоединяются к трем контактным кольцам, укрепленным на валу ротора и изолированным от этого вала. К кольцам прижимаются щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату. Включение реостата в цепь ротора дает возможность улучшить условия пуска – снизить пусковой ток и увеличить начальный пусковой момент, а также плавно регулировать скорость вращения.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля. В пазах магнитопровода статора фазные обмотки уложены так, что их магнитные поля сдвинуты относительно друг друга на угол 120°. Если эти обмотки запитать от трехфазного источника, то суммарный вектор магнитного поля статора будет вращаться с частотой п_М, определяемой частотой источника. Если фазные обмотки выполнены так, что каждая обмотка имеет одну пару полюсов, то и результирующий вектор магнитного поля статора также будет иметь одну пару полюсов.

Рис.4.2 – Фазный ротор

Наряду с этим фазные обмотки статора могут быть выполнены так, что каждая из них будет иметь две, три или большее количество пар полюсов. Тогда и результирующее поле статора будет иметь такое же количество пар полюсов. В общем случае частоту вращения магнитного поля статора определяют по формуле:

п_М = 60 f / р ; об/мин, (4.1)

где f – частота питающего источника (для промышленной сети f = 50 Гц); р – число пар полюсов магнитного поля статора.

Частоту п_М называют синхронной частотой. Она при заданном значении частоты источника определяется величиной р. Так, если частота f = 50 Гц, а р = 1, 2, 3 и так далее, то п_М = 3000 об/мин, 1500 об/мин, 1000 об/мин и так далее.

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которой в этих проводниках будет протекать ток. Вокруг проводников с током создается магнитное поле ротора. При взаимодействии магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий момент, под действием которого ротор также будет вращаться в направлении вращения магнитного поля статора. Однако скорость вращения ротора п будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Объясняется это тем, что необходимым условием индуктирования токов в проводниках обмотки ротора является наличие изменения магнитного поля. Если ротор вращать с синхронной частотой вращения магнитного поля, то такого изменения не будет.

Явление отставания вращения ротора двигателя от магнитного поля статора называется скольжением S.

S = (п_М - п)/ п_М . (4.2)

С учетом скольжения частота вращения ротора

п = п_М (1 – S). (4.3)

Часто скольжение выражают в процентах:

S_% = 100(п_М - п)/ п_М . (4.4)

У асинхронных двигателей величина скольжения составляет 2…6%, в зависимости от нагрузки. При снижении нагрузки ротор вращается быстрее, и индуктированный ток в его обмотках буден снижаться. Это приведет к уменьшению вращающего момента двигателя. Если внешнюю нагрузку на вал двигателя увеличивать, то для ее преодоления необходим больший вращающий момент. За счет увеличения скольжения будет увеличиваться ток в обмотках ротора. Магнитное поле ротора тоже будет возрастать, что приведет к увеличению вращающего момента.