Конструкция и принцип действия асинхронного электродвигателя

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

(учебное пособие)

ЧАСТЬ II

Минск 2008

УДК 621.313

ББК 31.21

В данном учебном пособии кратко изложены основы теории электрических машин и трансформаторов. Материал излагается в соответствии с учебной программой по дисциплине «Электрические машины» для студентов авиационных специальностей специализаций авиационного оборудования. В первой части пособия рассмотрены трансформаторы и синхронные машины. Во второй – асинхронные машины и машины постоянного тока. Учебное пособие может быть полезно студентам других авиационных специальностей, а также преподавателям.

Табл. 1. Ил. 87. Библиогр. 21 назв.

Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.А.Анищенко, (кафедра электроснабжения Белорусского национального технического университета);

д-р техн. наук А.Н.Анненков (Воронежский государственный технический университет)

Одобрено и рекомендовано к изданию научно-методическим советом колледжа (протокол от 04 июля 2008 г. № 10)

Учебное пособие по дисциплине «Электрические машины» для студентов специальности 1-37 04 02 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования» обсуждены и одобрены на заседании кафедры «Техническая эксплуатация авиационного оборудования (протокол от 26 мая 2008 г. №12)

© Сизиков С.В. 2008

Глава 3. АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Конструкция и принцип действия асинхронного электродвигателя

Конструкции асинхронной машины в зависимости от исполнения ротора приведены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Конструкции асинхронных машин:

а) с короткозамкнутым ротором; б) с фазным ротором

Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 3.1, а. Здесь: 1 -крышка, 2- подшипниковые щиты, 3 -подшипники и 4- их крышка, 5 -вентилятор, 6- короткозамкнутый ротор, 7 -обмотка статора, 8- коробка выводов, 9- щеткодержатели, 10- контактные кольца. Асинхронная машина с фазным ротором приведена соответственно на рис. 3.1, б. Здесь: 11-фазный ротор. Условные графические изображения этих машин приведены рядом с соответствующими рисунками. Неподвижная часть асинхронного двигателя — статор — имеeт такую же конструкцию, что и статор синхронного генератора. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки (рис. 3.2). Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из восьми алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми кольцами (на рисунке эти кольца не показаны).

Рис.3.2. Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрим принцип действия асинхронной машины. Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора (см. рис. 2.10), частота вращения которого п₁ определяется выражением

(3.1)

Вращающееся поле статора (полюсы N₁ и S₁) сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F_ЭM, направление которых определяют по правилу «левой руки». Из рис. 3.2 видно, что силы F_ЭM стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_ЭM создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение с частотой n₂ Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора п₂, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вращающееся магнитное поле, и в этой обмотке наводится ЭДС.

3.2. Режимы работы асинхронной машины

В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи (см. рис. 3.2).

Рис. 3.3. Режимы работы асинхронной машины

В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂ < n₁ в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т. п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощность Р₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность Р₂ и передается исполнительному механизму ИМ (рис. 3.3, б).

Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — величина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося поля статора:

(3.2)

Скольжение выражают в долях единицы либо в процентах. Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу асинхронного двигателя частота вращения ротора п₂ уменьшается. Следовательно, скольжение асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигателя и может изменяться в диапазоне 0 < s < 1.

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под влиянием сил инерции неподвижен (n₂ =0). При этом скольжение s равно единице. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения n₁, и скольжение весьма мало отличается от нуля (s ≈0). Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением s_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения s_ном =1¸8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном =1%, а для двигателей малой мощности s_ном =8%.

Преобразовав выражение (3.2), получим формулу для определения асинхронной частоты вращения (об/мин):

n₂ = n₁(1-s). (3.3)

Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т. п.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотой п₂ > п₁, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы иной машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т. е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис. 3.3, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и туда он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т. е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне -¥< s <0, т. е. оно может принимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В них условиях электромагнитный момент машины, направленный и сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис. 3.3, в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т. е. на его торможение.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора является отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные значения больше единицы:

(3.4)

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противовключением может изменяться в диапазоне 1< s<+¥, т.е. оно может принимать любые положительные значения больше единицы.

Обобщая изложенное о режимах работы асинхронной машины, можно сделать вывод: характерной особенностью работы асинхронной машины является неравенство частот вращения магнитного поля статора n₁ и ротора n₂, т. е. наличие скольжения, так как только в этом случае вращающееся магнитное поле наводит обмотке ротора ЭДС, и на роторе возникает электромагнитный момент. При этом каждому режиму работы асинхронной машины соответствует определенный диапазон изменений скольжения, следовательно, и частоты вращения ротора.

Из рассмотренных режимов работы наибольшее практическое применение получил двигательный режим асинхронной машин, т. е. чаще используют асинхронные двигатели, которые составляют основу современного электропривода, выгодно отличаясь и других электродвигателей простотой конструкции и высокой и надежностью. Поэтому теорию асинхронных машин принято излагать применительно к асинхронным двигателям.

3.3. Уравнения напряжений асинхронного двигателя

Обмотка ротора асинхронного двигателя не имеет электрической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, иэнергия из обмотки статора передается в обмотку ротора посредством магнитного поля. В этом отношении асинхронная машина аналогична трансформатору: обмотка статора является первичной, а обмотка ротора - вторичной.

В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают две магнитодвижущие силы: МДС статора и МДС ротора. Совместным действием эти МДС наводят в магнитной системе двигателя результирующий магнитный поток, вращающийся относительно статора с синхронной частотой вращения n₁. Так же как и в трансформаторе, этот магнитный поток можно рассматривать как совокупность основного потока Ф, сцепленного как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора (магнитный поток взаимоиндукции), и двух потоков рас сеяния: Ф_σ1 — потока рассеяния обмотки статора и Ф_σ2 — потока рассеяния обмотки ротора. Рассмотрим, какие ЭДС наводят указанные потоки в обмотках двигателя.

Электродвижущие силы, наводимые в обмотке статора. Основной магнитный поток Ф, вращающийся с частотой n₁, наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е₁, значение которой определяется выражением Е₁ = 4,44f₁Фw₁k_об1.

Магнитный поток рассеяния Ф_σ1 наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния, значение которой определяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора:

(3.5)

где x₁ — индуктивное сопротивление рассеяния фазной обмотки статора.

Для цепи обмотки статора асинхронного двигателя, включенной в сеть с напряжением U₁, запишем уравнение напряжений по второму закону Кирхгофа:

(3.6)

— падение напряжения в активном сопротивлении обмотки статора r₁.

После переноса ЭДС и в правую часть уравнения (3.6) с учетом (3.5) получим уравнение напряжений обмотки статора асинхронного двигателя:

(3.7)

Сравнив полученное уравнение с уравнением (1.6), видим, что оно не отличается от уравнения напряжений для первичной цепи трансформатора.

Электродвижущие силы, наводимые в обмотке ротора. В процессе работы асинхронного двигателя ротор вращается в сторону вращения поля статора с частотой п₂. Поэтому частота вращения поля статора относительно ротора равна разности частот вращения (n₁ - п₂). Основной магнитный поток Ф, обгоняя ротор с частотой вращения n_s=(n₁-n₂), индуцирует в обмотке ротора ЭДС

E_2s=4,44f₂Фw₂k_об2 (3.8)

Где f₂ — частота ЭДС Е_2s в роторе, Гц;

w₂ — число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки ротора;

k_об2 — обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Частота ЭДС (тока) в обмотке вращающегося ротора пропорциональна частоте вращения магнитного поля относительно ротора n_s = n₁ - п₂, называемой частотой скольжения:

или

(3.9)

т.e. частота ЭДС (тока) ротора пропорциональна скольжению.

Для асинхронных двигателей общепромышленного назначения эта частота обычно невелика и при f₁ =50 Гц не превышает нескольких Герц, так при s = 5% частота f₂ =50·0,05=2,5 Гц.

Подставив (3.9) в (3.8), получим

E_2s= 4,44 f₁sФw₂k_o62=E₂s. (3.10)

Здесь Е₂ — ЭДС, наведенная в обмотке ротора при скольжении s =1, т. е. при неподвижном роторе.

Поток рассеяния ротора Ф_σ2 индуцирует в обмотке ротора ЭДС рассеяния, значение которой определяется индуктивным падением напряжения в этой обмотке:

(3.11)

где х₂ — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора при неподвижном роторе, Ом.

Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с внешней сетью и к ней не подводится напряжение. Ток в этой обмотке появляется исключительно за счет ЭДС, наведенной основным магнитным потоком Ф. Поэтому уравнение напряжения для цепи ротора асинхронного двигателя по второму закону Кирхгофа имеет вид

где r₂ — активное сопротивление обмотки ротора.

С учетом (3.10) и (3.11) получим

(3.12)

Разделив все слагаемые равенства (6.12) на s, получим

(3.12)

—уравнение напряжений для обмотки ротора.