Назначение, устройство и принцип действия

Трехфазного асинхронного двигателя

Трехфазные асинхронные двигатели применяются:

- внерегулируемых электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, нагнетателей, дымососов, транспортеров, автомати­ческих линий, кузнечно-штамповочных машин и др.;

- в регулируемых электроприводах металлорежущих станков, манипуляторов, роботов, грузоподъемных механизмов, общепро­мышленных механизмов с изменяющейся производительностью и др.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из двух основных частей: неподвиж­ной - статора и вращающейся – ротора.

Основные части статора 1 (рис. 4.1): станина, сердечник и его обмот­ка. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра (рис. 4.2). Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов он набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой листов электротехнической стали. На внутренней поверхности сердечника расположены пазы, в которые укладывается обмотка статора (рис. 4.1). Сердечник запрессован в корпус (станину) 7 (рис. 4.1), изготовляемый из чугуна или сплава алюминия.

Рис. 4.1

1 – статор; 2 – ротор; 3 – подшипниковые щиты;

4 – вентилятор; 5 – отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха; 6 – коробка, прикрывающая зажимы; 7 - корпус

Рис. 4.2 Рис. 4.3

У двигателя с одной парой по­люсов обмотка статора выполняется из трех одинаковых катушек, на­зываемых фазами. Каждая фаза обмотки укладывается в противоположные пазы сердечника статора, фазы обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол и соединены между собой по особым правилам.

Ротор 2 (рис. 4.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора набирается также из листов электротехнической стали и крепится на валу двигателя.

В пазы на поверхности сердечника, укладываются неизолированные медные или алюминиевые стержни 1 (рис. 4.3), которые по торцам замыкаются кольцами 2 (рис. 4.3), образуя короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьим колесом».

Для охлаждения двигателя во время работы на валу устанавливается вентиляторное колесо или вентиляционные лопасти 4 (рис. 4.1), отливаемые из алюминия одновре­менно с обмоткой ротора (для двигателей малой и средней мощно­сти).

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 (рис. 4.1), называемых подшипниковыми щитами. Подшипниковые щиты крепятся к корпусу 7 (рис. 4.1) при помощи болтов.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.

Обозначения выводов фаз обмотки

 

Выводы обмоток статора маркируются и подсоединяются к зажимам клеммного щитка 6 (рис. 4.1). На щитке шесть клемм обозначены символами начала и концов фаз.

По международным стандартам начала и концы фаз обозна­чаются соответственно: для фазы A – U₁ и U₂; для фазы B – V₁ и V₂; для фазы C – W₁ и W₂. По устаревшим отечественным стандартам начала и концы фаз обозначаются С₁ и С₄ – в фазе A; С₂ и С₅ – в фазе B; С₃ и С₆ – в фазе С.

Выпускаются асинхронные двига­тели с тремя клеммами в коробке, к которым подключены только начала фаз. Концы фаз соединены внутри двигателя.

Схемы соединения фаз обмотки статора

И подключения двигателя к сети

При подключении двигателя к сети электроснабжения в зави­симости от величины напряжения фазы обмотки статора соединяют­ся звездой или треугольником . Если электросеть промыш­ленного предприятия имеет напряжение 3 ~ 380 В, то фазы обмотки соединяются звездой (рис. 4.4, а, б). Если напряжение сети - 3 ~ 220 В, то фазы обмотки соединяются треугольником (рис. 4.5, а, б).

а) б)

Рис. 4.4

а) б)

Рис. 4.5

Таким образом, при соединении фаз обмотки статора звездой и треугольником фазные напряжения будут одинаковыми и равными 220 В. Поэтому и активные мощности, потребляемые из сети, а так­же мощности на валу двигателя будут равными.

Вращающее магнитное поле

 

Одним из основных преимуществ многофазных токов является возможность получения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе принципа действия наиболее распространенных типов двигателей переменного тока, в частности, трехфазных асинхронных двигателей, исследуемых в данной лабораторной работе.

Рассмотрим получение вращающегося магнитного поля посредством трехфазной системы токов.

При подключении трехфазной обмотки статора к трехфазному источнику ЭДС, в фа­зах обмотки возникают токи:

Графики этих токов изображены на рис. 4.6.

Рис. 4.6

Каждый из токов создает пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки:

Результирующее магнитное поле для любого момента времени определяется векторной суммой трёх индукций:

На рис. 4.7 показаны схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, следующие друг за другом.

В момент времени t₁, при котором (ωt₁ = 90°), ток в фазе А положителен и равен I_m, в фазах В и С токи отрицательны и составляют по величине 0,5I_m (рис. 4.6). Соответственно векторы индукций B_a = B_m; B_b = B_c = -1/2 B_m и сдвинуты друг относительно друга на 120⁰.

Выберем условно положительные направления токов трёхфазной обмотки статора. Пусть положительный ток i_а в фазе А направлен от её конца X к началу A, тогда в фазах B и C токи i_b, i_cимеют противоположное направление. На рис. 4.7, а направления токов обозначены крестиками и точками.

Направления векторов магнитной индукции в каждой из трёх обмоток совпадают с осями обмоток и определяются по правилу правоходового винта. Результирующий вектор магнитной индукции для момента времени t₁ B_t1 = 3/2 B_m (рис. 4.7, а). На рис. 4.7, а хорошо видно, что магнитное поле имеет два полюса – северный и южный, т.е. одну пару полюсов. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S.

Далее, на рис. 4.7, б и 4.7, в показаны направления токов и схематические картины магнитного поля для моментов времени t₂ (ωt₂ = 210°) и t₃ (ωt₃ = 330°).

Из сравнения этих рисунков видно, что магнитное поле вращается по часовой стрелке с постоянной по величине магнитной индукцией 3/2 B_m.

Если продолжить анализ, то мы увидим, что для момента времени t₄ (ωt₄ = 450°) токи и соответственно картина магнитного поля такие же как и для t₁ (ωt₁ = 90°).

Таким образом, интервалу времени от t₁ до t₄ составляет период Т синусоидального тока i_a, а результирующее двухполюсное магнитное поля соверша­ет за это время один полный оборот.

Тогда угловая частота и частота вращения магнитного поля равны

, с^-1; n₀ = 60 f, об/мин.

где f = 50 Гц, частота напряжения сети электроснабжения.

Увеличение числа катушек в фазах обмотки статора приводит к увеличению числа пар полюсов магнитного поля. При различном числе пар полюсов частоты вращения:

где p - число пар полюсов магнитного поля двигателя.

Частота вращения магнитного поля многоскоростных асинхронных двигателей при соответствующем числе пар полюсов п_о /р равна: 3000/1; 1500/2; 1000/3; 750/4 и т.д.

 

Вращающий момент

 

Вращающееся магнитное поле, пересекая стержни ротора асинхронного двигателя, индуцирует в них ЭДС. Под действием наведенной ЭДС в роторной обмотке возникает индуцированный ток i₂ (рис. 4.8).

Из рис. 4.8 кривые распределения индукции B и наведенного тока i₂ по окружности ротора асинхронного двигателя приняты синусоидальными. Обе кривые имеют неизменные амплитуды B_m и I_2m и остаются неподвижными одна относительно другой со сдвигом фаз ψ₂.

Рис. 4.8

На проводник ротора с током i₂ со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера f, направленная по касательной к окружности ротора (рис. 4.9), направление которой определяется по «правилу левой руки». Величина этой силы

,

где l₂ – длина проводника ротора, расположенного в магнитном поле. На рис. 4.8 показана кривая распределения касательных сил f по окружности ротора и их среднее значение.

 

Рис. 4.9

Общую силу, действующую на ротор, найдем, умножив среднюю силу на число проводников обмотки ротора N₂:

.

Вращающий момент равен произведению силы F на плечо D/2:

,

где D – диаметр ротора.

Под воздействием вращающего мо­мента начинается разгон ротора. Переходные электромагнитные и электромеха­нические процессы в двигателе закончатся при достижении устойчивого равновесия между вращающим моментом и моментом сил сопротивления, созданными приводными механизмами. При этом условии ротор будет вращать­ся с частотой ω.

Таким образом, кривые В, i₂ и f (рис. 4.8) относительно статора вращаются с синхронной скоростью ω₀, а сила Ампера относительно ротора вращается со скоростью (ω₀- ω). Основным условием работы двигателя является асинхронность (неравенство) частот вращения ротора и магнитного поля (в двигателях ), так как только в этом случае возможно индуцирование ЭДС и возникновение тока в обмотке ротора, следовательно, образование вра­щающего момента.

При неравенстве частот ротор при своем вращении скользит по магнитному полю. Скольжение ротора

где ω₀, ω - угловые частоты вращения магнитного поля и ротора; n₀, n- частоты вращения магнитного поля и ротора.

В режиме идеального холостого хода (при М = 0) и пренебре­жении моментом холостого хода, обусловленным механическими и магнитными потерями в двигателе, частота вращения ротора , а скольжение s = 0.

При неподвижном роторе при пуске и скольжение s = 1. Та­ким образом, в двигательном режиме частота вращения ротора и его скольжение изменяются в пределах ; . Частота вращения ротора

ω = ω₀ (1 - s); n = n₀ (1 - s).