Асинхронного двигателя

Трёхфазный асинхронный двигатель содержит неподвижную часть – статор и вращающуюся часть – ротор [6-8].

Статор имеет: корпус, магнитопровод и трёхфазную обмотку. Корпус выполняется в виде полого цилиндра, во внутренней части которого расположен магнитопровод. Магнитопровод статора собирается из штампованных листов электротехнической стали. Он имеет пазы для укладки обмотки.

Магнитопровод ротора тоже собирается из штампованных листов электротехнической стали с пазами для укладки проводников ротора. Обмотка ротора может быть трёхфазной и многофазной.

Трёхфазная обмотка ротора выполняется по тем же принципам что и у статора. Фазы ротора включаются в звезду, а выводы отдельных фаз подсоединяются к контактным кольцам, которые связаны неподвижно с валом ротора. Такой двигатель называют с фазным ротором.

Многофазная обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки, которая состоит из стержней, в торцевых частях находятся замыкающие кольца. В этом случае двигатель называют с короткозамкнутым ротором, а каждый стержень ротора можно рассматривать как одну фазу обмотки ротора.

Угловую скорость изменения электрических переменных измеряют в электрических радианах за секунду, а временной сдвиг между переменными измеряют в электрических градусах. В пространственной области скорость вращения и угловой сдвиг между переменными можно измерять как с помощью геометрических, так и электрических градусов. Связь между ними зависит от числа пар полюсов

.

Рассмотрим расположение проводников в поперечном сечении асинхронного двигателя АД.

Обмотку каждой фазы статора (рис.1.14) представим в виде отдельной катушки, которая в расточке статора занимает определённую зону.

При числе пар полюсов обмотка одной фазы занимает 1/3 окружности расточки статора или 120 геометрических градусов. Остальное пространство занимают две другие фазы.

Если взять одну фазу и пропустить через неё постоянный ток, то вокруг каждого проводника возникает магнитное поле, направление линий магнитной индукции определяется по правилу правоходового винта. Намагничивающая сила одной фазы направлена вдоль геометрической оси этой фазы. Направление токов в проводниках отмечено крестиком и точкой. Магнитное поле неподвижно и имеет два полюса, северный N и южный S.

При числе пар полюсов обмотка статора одной фазы состоит из отдельных секций, число секций . Каждая секция относится к одному полюсу и занимает в пространственной области меньшее число пазов, секции одной фазы включаются последовательно или параллельно.

Если обмотку статора подключить к сети переменного тока, то в каждой фазе появляются намагничивающие силы, смещённые во времени на 120 электрических градусов:

(1.27)

Эти намагничивающие силы неподвижны в пространстве, они направлены вдоль геометрических осей статора и пульсируют во времени по косинусоидальному или синусоидальному закону, то есть каждая фаза статора создаёт пульсирующее магнитное поле.

Результирующая намагничивающая сила от действия всех фаз образуется по правилам сложения 3-х пространственных векторов

. (1.28)

Представим расположение намагничивающих сил на плоскости поперечного сечения машины (рис.1.15).

На приведенном рисунке выполнены графические построения для двух моментов времени, когда и

Эти построения показывают, что во времени результирующий вектор поворачивается в пространстве, а его модуль в 1,5 раза больше амплитуды намагничивающей силы одной фазы

. (1.29)

В технических данных двигателя скорость вращения пространственного вектора , или синхронную скорость двигателя при номинальной частоте обычно указывают в об/мин. Связь между и описывается равенством или об/мин. Ряд синхронных скоростей для разных чисел пар полюсов приводится в табл. 1.2.

Таблица 1.2

об/мин

Вращающееся магнитное поле образуется и при числе фаз . Оно получается из пульсирующих полей и для его создания следует выполнить два условия:

1) геометрические оси каждой фазы статора должны быть смещены в пространстве под углом геометрических градусов;

2) напряжения и токи в каждой фазе должны быть смещены во времени на угол электрических градусов.

Принцип действия АД сводится к следующему.

Магнитный поток , создаваемый токами статора , вращается относительно статора с синхронной скоростью (рис.1.16). Если ротор вращается в этом же направлении со скоростью , то поле статора перемещается относительно ротора со скоростью или со скольжением .

Скольжение – это скорость поля относительно ротора в относительных единицах. Базовой величиной является синхронная скорость . Вращающееся поле статора наводит в каждой фазе статора и ротора синусоидальные ЭДС с угловыми частотами и

(1.30)

Действующие значения ЭДС:

(1.31)

Конструктивные коэффициенты k ₁ и k ₂ рассчитываются по формулам:

где k _об1, k _об2 - обмоточные коэффициенты соответственно статора и ротора; - количество витков фаз статора и ротора (для двигателей с короткозамкнутым ротором при отсутствии скоса пазов на роторе = 1/2 и k _об2 = 1).

Ротор короткозамкнутых двигателей с числом стержней Z₂ можно рассматривать в виде эквивалентной m ₂ - фазной обмотки, соединенной звездой, причем m ₂ = Z ₂.

Так как роторная цепь замкнута, то под действием ЭДС ротора в роторе протекает синусоидальный ток

. (1.32)

Ток ротора создаёт поток ротора . Скорость вращения этого потока относительно статора равна сумме скоростей: , то есть потоки и вращаются синхронно со скоростью и образуют результирующий магнитный поток Ф. Поток Ф - это полный магнитный поток в воздушном зазоре с учетом реакции ротора. Физический смысл уравнений (1.31) состоит в том, что наводимые ЭДС являются ЭДС вращения, они определяются результирующим магнитным потоком и скоростью его перемещения относительно соответствующих обмоток.

Если в (1.31) перейти от синхронной скорости к частоте , то получим

(1.33)

где - частота переменных в роторе.

Физический смысл этих выражений состоит в том, что наводимые ЭДС являются ЭДС самоиндукции с учетом взаимоиндукции с другими обмотками статора и ротора, они определяются полным потокосцеплением соответствующей обмотки и частотой изменения этого потокосцепления.

При таком подходе к анализу магнитное поле представляется пульсирующим относительно геометрической оси соответствующей обмотки.

Аналогичные явления наблюдаются и в трансформаторах. Однако в сравнении с трансформатором имеется очень важная отличительная особенность. У трансформатора магнитное поле не вращается, и частота переменных в первичной и во вторичной цепи одинакова.

Обратите внимание, что в (1.33) частота переменных во вторичной цепи (в роторе) не постоянна, а зависит от скольжения .

Если ротор вращается с синхронной скоростью , то есть скольжение , то ЭДС ротора и ток ротора равны нулю. Это режим идеального холостого хода.

Электрическая машина является электромеханическим преобразователем электрической энергии в механическую энергию. Полезная работа создаётся только активной мощностью, потребляемой от источника переменного тока. Основная часть этой энергии в виде электромагнитной мощности передаётся на вал двигателя, а оставшаяся часть идёт на потери в двигателе

При взаимодействии активной составляющей тока ротора с результирующим магнитным потоком возникают электромагнитные силы F, действующие на проводники ротора (рис.1.16). Момент от действия этих сил направлен в сторону вращения поля, электрическая машина развивает движущий момент.

Если > , то есть ротор опережает магнитное поле, то электрическая машина переходит в генераторный режим работы и её момент становится тормозным. Активная мощность передаётся в питающую сеть, а реактивная мощность потребляется из сети и идёт на создание магнитных полей.

При s>1 ротор вращается в обратном направлении по отношению к вращающемуся полю. Такой режим называют режимом торможения противовключением.

Из принципа действия асинхронной машины следует, что процессы в статоре и в роторе протекают в разных системах координат. Процессы в статоре протекают в неподвижной системе координат, а в роторе во вращающейся системе координат. Кроме того, число фаз статора и ротора в общем случае может быть разным. Эти обстоятельства усложняют математическое описание протекающих процессов. Особые трудности возникают при решении задач динамики.