Трехфазный асинхронный двигатель

Устройство и принцип действия трехфазных асинхронных двигателей

Основная причина широкого использования асинхронных электродвигателей во всех областях техники заключается в простоте их конструкции и в высокой надежности.

Эти двигатели в основном состоят из статора, ротора и подшипниковых щитов (рис1).

Статор, или якорь, — неподвижная часть двигателя — состоит из стальной станины (корпуса) цилиндрической формы. В станину запрессовывается сердечник статора, набираемый из штампованных листов легированной (2—5% кремния) электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Такая конструкция сердечника применяется для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис.

Рис.1. Асинхронный двигатель: а-конструктивная схема; б- продольный разрез

В пазы сердечника статора(1) укладывается трехфазная обмотка, которая включается в сеть. Ротор — вращающаяся часть двигателя — состоит из сердечника ротора(3), обмотки (4) и вала(6). Сердечник ротора, также как и статора, набирается из листов электротехнической стали. В пазы ротора закладывается обмотка(5). В зависимости от конструкции обмотки ротора различаются двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. , а) и двигатели с фазным ротором (рис., 6).

Роторная обмотка короткозамкнутого двигателя состоит из латунных или медных стержней, вставленных без изоляции в пазы. Выступающие концы стержней замкнуты накоротко медными кольцами—обмотка типа <беличья клетка» (рис. ). Роторную обмотку часто изготовляют также из алюминиевого сплава литьем под давлением. При отливке заодно с короткозамыкающими кольцами с торцевых сторон отливаются вентиляционные лопатки.

Двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) имеет на роторе нормальную (изолированную) трехфазную обмотку с таким же числом полюсов, как и у обмотки статора. Концы роторной обмотки, соединенной в звезду, выводятся через кольца (вращающиеся вместе с валом) наружу и присоединяются к пусковому реостату. Такие двигатели имеют значительно более сложную конструкцию по сравнению с короткозамкнутыми и поэтому применяются сравнительно редко.

а) б)

Рис.2 .Схемы асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) роторами

Принцип действия асинхронного короткозамкнутого двигателя.

Вращающееся магнитное поле трехфазного тока

Ценным свойством трехфазной системы является простота получения вращающегося магнитного поля, т.е. поля, магнитная индукция которого постоянна по величине и вращается в пространстве с постоянной угловой скоростью. Вращающее магнитное поле лежит в основе принципа работы самых распространенных электродвигателей – асинхронных двигателей Для получения вращающегося магнитного поля необходимы три обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 120⁰, по которым пропускается трехфазный ток, мгновенные значения которого имеют вид:

i_A = I_m Sinωt; i_B = I_m Sin(ωt- 120⁰); i_C = I_m Sin(ωt -240⁰).

При прохождении по обмоткам каждый из токов создает магнитное поле. Магнитные поля, созданные этими тремя токами, будут складываться и образовывать результирующее магнитное поле, направление которого будет определять расположение магнитных полюсов этого поля.

Построим временную диаграмму токов i_A,i_B,i_C и проследим направление результирующего магнитного поля для различных моментов времени (рис. ) в течение одного периода.

Рис.3.Получение вращающегося магнитного поля в системе трехфазного тока

Для каждого момента времени (0, 1/3Т, 2/3Т, Т) нанесем направление токов в фазных обмотках и изобразим магнитные поля, создаваемые этими токами. При этом положительным направлением тока будем считать направление от начала фазы к ее концу.

В начальный момент времени (t=0) ток в первой обмотке отсутствует, во второй обмотке ток имеет отрицательное направление, в третьей – положительное. Следовательно, в этот момент времени результирующее магнитное поле внутри такого статора направлено сверху вниз, т.е. вверху будет северный полюс N, внизу – южный S. Обозначим вектор индукции этого результирующего магнитного поля В₁₂₃.

Рассматривая картину магнитного поля в другие моменты времени (t =1|3Т, t= 2/3Т, t= Т), найдем положение N и S в этих случаях. Нетрудно видеть, что полюса N и S результирующего магнитного поля, а значит , и вектор его индукции В₁₂₃ вращаются в пространстве, причем за один период вектор В₁₂₃ совершает также один оборот. Как видно из рис. , одна трехфазная обмотка создает вращающееся магнитное поле, которое имеет одну пару полюсов N и S, т.е. р=1. При числе пар полюсов статора р и при частоте тока f, проходящего по фазным обмоткам, число оборотов вращающегося магнитного поля n = . Реверсирование поля осуществляется изменением порядка чередования фаз, для чего достаточно поменять местами начала двух фаз (например АиВ). Тогда чередование фаз станет против часовой стрелки и соответственно поле изменит направление вращения.

Обмотка статора двигателя состоит в простейшем случае из трех катушек расположенных в пазах и сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120⁰.

Известно, что проходящий по таким катушкам переменный трехфазный ток создает вращающийся магнитный поток. Этот поток, пересекая обмотку ротора, создает в ней ток, взаимодействие которого с вращающимся магнитным потоком приводит к образованию вращающего момента, вызывающего вращение ротора, направление которого определяется по правилу левой руки. Как видно из рис. , ротор будет вращаться в ту же сторону, что и поток.

Скорость вращения ротора, очевидно, не может быть равна скорости вращения потока, так как в этом случае поток не пересекает обмотку ротора, т. е. исчезнут условия возникновения э. д. с. ротора и тока ротора. Исчезнет также и вращающий момент.

Рис.4 .Короткозамкнутая обмотка Рис.5. Принцип действия асинхронного

ротора двигателя

Таким образом, скорость вращения ротора асинхронных двигателей n всегда должна быть меньше скорости вращения магнитного потока n₁= . Двигатель потому и называется асинхронным ,что скорости вращения его ротора и магнитного потока неодинаковы, асинхронны.

Отставание ротора от поля статора характеризуется так называемым скольжением, которое равно отношению

s =

Из этого уравнения определится частота вращения ротора

n = n₁(1-s)

Частота вращения ротора электродвигателя находится в пределах 0 <n<n₁, а скольжение 1≥ s ≥ 0.