Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Наибольшее применение в промышленности получили трёхфазные асин­хрон­ные двигатели (рис. 6.1). Это объясняется тем, что они просты по конструкции, дешевы, надёжны в работе, имеют высокий КПД при номинальной нагрузке, выдерживают значительные перегрузки, не требуют сложных пусковых устройств.

Наряду с преимуществами асинхронные двигатели (АД) имеют ряд недостатков, основными из которых являются: низкий коэффициент мощности (cos j) при неполной нагрузке (при холостом ходе cos j ₀= 0,2...0,3); низкий КПД при малых нагрузках; малоудовлетворительные регулировочные характеристики.

Основными частями АД являются статор и ротор, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм). Их сердечники собраны из лис­тов электротехнической стали. На внутренней части поверхности статора и на внешней ротора выштампованы пазы, в которые уложены обмотки. Сердечник статора помещён в корпус, на котором закреплены клеммы статорной обмотки, состоящей из трёх отдельных катушек, сдви­­нутых в пространстве на 120° (рис. 6.2). Сердечник ротора укреплён непосредственно на валу двигателя или на ступице, надетой на вал.

Обмотка ротора может быть выполнена короткозамкнутой или трёхфазной, аналогичной об­мот­ке статора. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде " бе­­личьего колеса ", состоящего из стержней и замыкающих их на торцах колец (рис. 6.3, а и б).

У АД с фазным ротором (рис. 6.1, в) од­ни концы обмоток 2 рото­­ра 1 сое­ди­ня­ют с кон­­тактными коль­цами 3, расположенными на валу двигателя, а другие - объединяют в общую то­ч­ку (рис. 6.3, в и г). Контактные коль­ца 3 соединяются с контактами неподвижной ча­сти ма­­шины с помощью щёток 4 и щёткодер­жателей. К ним подключают пусковой реостат 5.

Принцип действия АД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора (неподвижная часть машины) с токами, индуктируемыми в роторе (под­вижная её часть).

Рассмотрим принцип создания магнитного поля машины. Трёхфазная обмотка ста­тора питается от трёхфазной системы напряжения (см. рис. 6.1, а) с фазными напряжениями U _{1 ф} . Так как три фазные обмотки (сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 120° (рис. 6.2) и име­ющие числа витков w ₁) соединяют по схеме звезда или треугольник, то в них протекают токи i ₁, создающие три магнитодвижущие силы (МДС) F ₁ = i ₁ w ₁. Под действием этих трёх МДС образует­ся вращающееся магнитное поле, результирующий вектор магнитного потока которого Ф _р = 3 Ф _m /2, где Ф _m - магнитный поток, созданный фазной МДС F ₁.

Согласно закону электромагнитной индукции в обмотках статора и ротора наводятся ЭДС е ₁ и е ₂. Цепь обмоток ротора всегда замкнута, поэтому в фазных обмотках ротора протекают токи i ₂, значения которых зависят от нагру­зки. Согласно закону Ампера от взаимодействия токов ротора с вращающимся магнитным полем статора на валу двигателя воз­никает вращающий момент М, и, если он больше момента сопротивления М _с на валу, ротор приходит во вращение. Согласно правилу Ленца токи ротора, как и создаваемое ими вращающееся магнитное поле, воздействуют на токи статорных обмоток и магнитный поток Ф _р машины, вызывая рост тока статора, компенсирующий размагничивающее действие токов роторной обмотки.

Частота вращающегося магнитного поля статора (в об/мин) равна

,                                                 (6.1)

где f - частота напряжения сети; р - число пар полюсов машины (в частности, три обмо­т­ки статора создают одну пару полюсов, шесть обмоток - две пары и т. д.).

Рассматриваемая машина называется асинхронной потому, что в ней частота вращения ротора n ₂ не равна частоте вращающегося маг­нитного поля статора n ₁. Если бы эти частоты были одинаковые, то магнитный поток статора был бы неподвижен относительно вращающегося ротора, и в обмотках ротора не индуктировались бы ЭДС, не было бы в них токов и не возникал бы вращающий момент на валу.

Разность частот вращения поля статора и ротора называют частотой скольжения n _s = n ₁ - n ₂, а её отношение к частоте n ₁ - скольжением S, т. е.

 или (выраженное в процентах) .      (6.2)

Диапазон изменения скольжения в асинхронном двигателе 1 ³ S ³ 0; при пуске    S  = 1, при холостом ходе S = 0,001...0,005, при номинальной нагрузке S = 0,03...0,07.