Асинхронные машины

Вы уже бегло ознакомились с принципом действия однофазного асинхронного электродвигателя. Теперь более подробно рассмотрим асинхронные машины – необходимый элемент большинства современного электрооборудования.

Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике. Именно они используются в холодильнике и стиральной машине.

Теперь рассмотрим подробно асинхронные машины, используемые при питании от трехфазной сети.

Асинхронный двигатель является простейшей из электрических машин. Как и любая электрическая машина, он имеет статор и ротор.

Статор (рис.12) состоит из чугунной станины 1, в которой закреплен магнитопровод 2 в виде полого цилиндра. Между станиной и сердечником - магнитопроводом обычно оставляют зазор, через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких листов электротехнической стали (толщиной 0,5 мм), изолированных друг от друга лаком. В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора, укладывают обмотку 3. У двухполюсной машины обмотка статора состоит из трех катушек, сдвинутых на углы 120⁰, у четырехполюсной – из шести катушек, сдвинутых на 60⁰, у шестиполюсной – из девяти катушек и т.д. Обмотку в пазах статора закрепляют клиньями.

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной.

Короткозамкнутая обмотка, имеющая вид клетки, приведена на рис.13а. Она состоит из толстых проводящих стержней (медь, алюминий), соединенных по торцам кольцами из того же материала. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора.

Устройство фазной обмотки ротора аналогично устройству обмотки статора. Концы фазной обмотки ротора соединяют кольцами и через щетки соединяют с регулировочными реостатами (рис.13б).

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных принципов электротехники.

При включении двигателя в трехфазную сеть в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пресекают стержни короткозамкнутого или катушки обмотки фазного ротора. При этом согласно закону электромагнитной индукции (о нем мы уже упоминали), в обмотке ротора индуцируется ЭДС, пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т.е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося магнитного поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения магнитного поля, т.е. асинхронно с полем.

Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Если частота вращения магнитного поля статора - , а частота вращения ротора , то режим работы асинхронной машины можно характеризовать скольжением

(11)

На рис.14 построена линейная характеристика n(s) по (11).

Оказывается, что асинхронная машина может работать не только в режиме двигателя, но и в режимах генератора и электромагнитного тормоза. На рис.14 показаны области значений , соответствующие трем различным режимам работы асинхронной машины.

В режиме двигателя, при , трехфазная асинхронная машина преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора ( ) трехфазная асинхронная машина преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза ( ) ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия в магнитопроводе из-за гистерезиса и вихревых токов.

Делая вывод, скажем, что по большому счету асинхронная машина состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещенных на общем сердечнике, и помещенной между ними четвертой, вращающейся катушки. В машине отсутствуют какие-либо легко повреждающиеся или быстро изнашивающиеся части. Кроме того, асинхронный двигатель помимо простоты своей конструкции еще и дешевый.

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора, которое, в режиме работы двигателя, приводит к преобразованию электромагнитной энергии в механическую; в режиме генератора – наоборот, механической в электромагнитную.