Асинхронные электродвигатели

1. Назначение асинхронного электродвигателя

Система трехфазного переменного тока, позволившая создать устройства для получения вращающегося магнитного потока, вызвала появление наиболее распространенного в данное время электродвигателя, называемого асинхронным. Это название обусловлено тем, что вращающаяся часть машины — ротор — всегда вращается со скоростью, не равной скорости магнитного потока, т.е. не синхронно с ним. Изготовляемый на мощности от долей ватта до тысяч киловатт при напряжениях 127, 220, 380, 500, 600, 3000, 6000, 10000 В, этот электродвигатель прост по конструкции, надежен в эксплуатации и дешев по сравнению с другими типами. Он применяется во всех видах работ, где не требуется поддержания постоянной скорости вращения, а также в быту, в однофазном исполнении для малой мощности.

2. Получение вращающегося магнитного поля

Рассматривая работу трехфазных трансформаторов, можно убедиться, что сумма мгновенных значений пульсирующих (переменных) магнитных потоков трех стержней всегда равна нулю. Происходит это потому, что оси трех обмоток AX, BY, CZ параллельны друг другу, как показано на рис. 1. Направление мгновенных токов нанесено для момента времени a диаграммы трехфазного тока (рис. 2). Такой же эффект получается, если обмотки расположены на одной, общей оси (рис. 3).

Рис. 1. Суммирование мгновенных значений магнитных потоков трехфазного генератора

Рис. 2. Кривые трехфазного тока

Рис. 3. Суммирование магнитных потоков трех обмоток, расположенных на одной оси

Рис. 4. Суммарный магнитный поток трехфазной обмотки асинхронного двигателя

Рис. 5. Суммарный магнитный поток двигателя для момента времени б (рис. 2)

Однако дело существенно меняется, если обмотки расположены в пространстве под углом 120°, так же как и оси. Такое размещение обмоток на внутренней поверхности стального цилиндра показано на рис. 4. Токи в проводах обмотки нанесены для момента времени a диаграммы на рис. 2 и соответствуют показанным на рис. 3.

Намагничивающая сила обмотки BY – F_Bm направлена по оси обмотки by и имеет максимальное значение, так как i_B= I_Bm. Намагничивающая сила обмотки AX – F_Aнаправлена по оси своей обмотки ax, но равна 0,5 F_Bm, так как ток i_A= 0,5I_Bm. Точно так же F_C= 0,5F_Bmи направлена по оси cx. Легко видеть, что при данном расположении намагничивающие силы создают суммарную н.с.:

F = F_A+ F_C+ F_Bm= 1,5F_Bm.

Если рассмотреть явление через 1/6 периода (точка б на рис. 2), то можно видеть (рис. 5), что результирующая н.с., сохранив свое значение, повернулась на 1/6 окружности, т.е. на 60°.

Вместе с н.с. трехфазной обмотки вращается и созданный ею суммарный магнитный поток Ф. При данной конструкции обмоток поток оказался двухполюсным (2р = 1), т.е. имеет одну пару полюсов, что и показано на рис. 5.

Легко видеть, что за один период тока магнитный поток сделает один оборот, а за f периодов в секунду или за f·60 периодов в минуту двухполюсный поток сделает:

Если сконструировать обмотки так, чтобы число пар полюсов было больше единицы (2р = 2, 3, 4…), то скорость вращения магнитного потока уменьшается во столько раз, во сколько 2р >

Итак, трехфазный ток, обтекая трехфазную обмотку, создает вращающийся с постоянной скоростью магнитный поток, сохраняющий свою амплитуду, в 1,5 раза большую амплитуды потока одной фазы

Ф = 1,5Ф_фзы.

Рис. 6. Статор асинхронного электродвигателя без обмотки

Рис. 7. Стальной лист статора

В асинхронных электродвигателях трехфазная обмотка располагается в пазах внутренней цилиндрической поверхности неподвижной части машины — статора (рис. 6). Статор состоит внешнего стального корпуса 1, в который запрессован стальной сердечник статора 2, имеющий пазы. Сердечник собирается из стальных штампованных листов (рис. 7) электротехнической стали, изолированных друг от друга с обеих сторон специальным лаком. Корпус статора у показанного электродвигателя с внешней стороны обдувается воздухом при помощи вентилятора, и для увеличения охлаждаемой поверхности она выполнена ребристой.

Так как внутри статора должна помещаться вращающаяся часть — ротор, то лобовые части обмотки, не лежащие в пазах, должны укладываться не так, как показано на рис. 4, а на торцевых сторонах сердечника статора 2 (рис. 8). Начала

фаз А, В, С смещены на 120 эл. градусов (рис. 8), а выводы от них помещены в распределительную коробку 3 (рис. 6).

Рис. 8. Расположение обмоток статора в пазах

3. Обмотки ротора

Вращающаяся часть асинхронного двигателя — ротор, так же как и статор, имеет обмотку. Она помещена в пазах 1 стального цилиндра (рис. 9), набранного, как и сердечник статора, из листов электротехнической стали (рис. 10) толщиной 0,5 мм. После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал двигателя и закрепляют. В пазах ротора помещается или короткозамкнутая, или фазная обмотка. Изоляцией между листами ротора обычно

Рис. 9. Фазный ротор асинхронного двигателя: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка ротора; 3 — контактное кольцо

Рис. 10. Стальной лист ротора

Рис. 11. Продольный разрез асинхронного двигателя с фазным ротором: 1 — вал; 2 — активная сталь ротора; 3 — обмотка статора; 4 — станина; 5 — активная сталь статора; 6 — подшипниковый щит; 7 — контактные кольца; 8 — щетки; 9 — коробка выводов

Рис. 12. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

Рис. 13. Короткозамкнутый ротор двигателя с алюминиевой литой обмоткой

Рис. 14. Беличье колесо

Рис. 15. Трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель

Рис. 16. Роторы короткозамкнутые: а — с обычной клеткой; б — с двойной клеткой; в — с глубокой клеткой

служит пленка окисла. Активная сталь ротора является частью магнитной цепи двигателя. Обмотка может быть фазной, построенной по тому же принципу, что и обмотка статора. Делается это в том случае, когда в фазы обмотки включается добавочное сопротивление (реостат), необходимый при пуске или регулирования скорости двигателя. Фазный ротор показан на (рис. 9). Обмотка ротора 2 соединяется в звезду, а выводы подключаются к трем контактным кольцам 3, насаженным на вал ротора и изолированным от вала и друг от друга. Контактные кольца изготавливаются из меди, бронзы, редко из стали.

Продольный разрез двигателя с фазным ротором показан на рис. 11.

Чаще изготовляются двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора. Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стержни, концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка называется короткозамкнутой. Обмотка образует клетку, называемую беличьей; показана отдельно на рис. 14. Короткозамкнутую обмотку ротора делают в трех модификациях: с нормальной клеткой, с двойной клеткой и с глубоким пазом (рис. 16). Для двигателей до 100 кВт чаще всего клетку получают путем отливки из алюминия, при этом одновременно отливаются торцевые кольца и лопасти вентилятора для охлаждения двигателя (рис. 13). Роторные обмотки также выполняют из меди и ее сплавов. В пазы прямоугольной или трапецеидальной формы забивают стержни, к стержням с обеих сторон припаивают твердым припоем замыкающие кольца.

Вид двигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым, имеющим внешний обдув для охлаждения, показан на рис. 12 и 15.

4. Вал ротора, подшипниковые щиты, подшипники, вентилятор, фланцы, детали крепежа

Вал ротора является ответственной деталью. От жесткости вала и точности его обработки зависит равномерность воздушного зазора между статором и ротором. Валы диаметром до 100 мм обычно изготавливают из стального проката.

Подшипниковые щиты служат для конструктивного соединения вала ротора со станиной; их отливают из чугуна или алюминия, иногда делают сварными из стали.

В электрических машинах применяют подшипники качения шариковые и роликовые, а также подшипники скольжения. Встроенный вентилятор, сидящий на валу ротора, должен создавать определенное давление для прогонки достаточного количества воздуха через машину. В электрических машинах используют вентиляторы трех типов: центробежные, осевые, смешанные. У машин закрытого типа вентилятор ставится на выступающий конец вала.

Для защиты обмоток от попадания влаги и для направления движения воздуха в двигателях применяют металлические диффузоры. Фланцы и детали крепежа используются обычные, как и в других устройствах.

Величина воздушного зазора между статором и ротором (порядка 0,2—1,2 мм, в зависимости от мощности электродвигателя) оказывает большое влияние на работу. С увеличением зазора энергетические показатели двигателя резко ухудшаются.

5. Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрим устройство, показанное на рис. 17. Оно состоит из постоянного магнита 1, медного диска 2, рукоятки 3 и подшипников 4. Если вращать магнит при помощи рукоятки, то медный диск начинает вращаться в ту же сторону, но с меньшей частотой. Медный диск можно рассматривать как бесчисленное множество замкнутых витков; при вращении магнита 1 его магнитные силовые линии (м.с.л.) пересекают витки диска, и в витках наводится электродвижущая сила (э.д.с.). В замкнутых витках диска появляется ток, а вокруг проводников с

током — магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем магнита и приводит диск во вращение.

Обозначим:

n₁— частота вращения магнита (синхронная частота), об/мин;

n₂— частота вращения диска, об/мин;

n — разность частот вращения магнита и диска, об/мин.

Частота вращения диска меньше частоты вращения магнита, и, следовательно, диск вра-

Рис. 17. Модель асинхронного двигателя

щается с несинхронной (асинхронной) частотой. Разница частот магнита и диска представляет собой частоту, с которой м.с.л. пересекают витки диска. Отношение разницы частот к синхронной частоте называется скольжением. Скольжение может быть выражено в долях единицы или в процентах:

В двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазным током, протекающим по обмотке статора, а роль диска выполняет обмотка ротора. Активная сталь статора и ротора служит магнитопроводом, уменьшающим в сотни раз сопротивление магнитному потоку.

Под влиянием подведенного к статору напряжения сети U₁ в его обмотке протекает ток I₁. Этот ток создает вращающийся магнитный поток Ф, замыкающийся через статор и ротор. Поток создает в обеих обмотках э.д.с. E₁ и E₂, как в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, асинхронный двигатель подобен трехфазному трансформатору, в котором э.д.с. создаются вращающимся магнитным потоком.

Пусть поток вращается в направлении движения стрелки часов. Под влиянием э.д.с. E₂ в обмотке ротора пойдет ток I₂, направление которого показано на рис. 18. Предположим, что он совпадает по фазе с E₂. Взаимодействие тока I₂ и потока Ф создает электромагнитные силы F, приводящие ротор во вращение, вслед за вращающимся потоком. Таким образом, асинхронный двигатель представляет собой трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой и способный поэтому превращать электрическую мощность E₂I₂cosφ в механическую.

Рис. 18. Работа асинхронного двигателя при cosφ₂ = 1

Ротор всегда отстает от вращающегося магнитного потока, так как только в этом случае может возникать э.д.с. E₂, а следовательно, ток I₂ и силы F. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить направление вращения потока. Для этого меняют местами два любых провода, подводящие ток от сети к статору. В этом случае меняется порядок следования фаз АВС на АСВ или ВАС, и поток вращается в обратную сторону.

Ротор двигателя вращается с асинхронной частотой n₂, поэтому и двигатель называется асинхронным. Частоту вращения магнитного потока называют синхронной частотой n₁. Частота вращения ротора

Теоретически скольжение меняется от 1 до 0 или от 100% до 0, так как при неподвижном роторе в первый момент пуска n₂ = 0; а если вообразить, что ротор вращается синхронно с потоком, n₂ = n₂.

Чем больше нагрузка на валу, тем меньше скорость ротора n₂ и следовательно больше S, так как больший тормозной момент должен уравновеситься вращающим моментом; последнее возможно только при увеличении E₂ и I₂, а значит и S. Скольжение при номинальной нагрузке S_н у асинхронных двигателей равно от 1 до 7%; меньшая цифра относится к мощным двигателям.

6. Номинальные данные асинхронного двигателя

Полезная мощность, на которую рассчитан двигатель по условиям нагрева и длительной безаварийной работы, называется номинальной. Все величины, характеризующие работу двигателя при номинальной мощности, называются номинальными. Номинальные данные двигателя указываются в паспортной табличке, прикрепленной к корпусу двигателя.

В паспорте приводятся следующие данные: тип двигателя; число фаз — m; частота тока — f, Гц; полезная мощность на валу — P, кВт; линейное напряжение — U, В; схема соединения фаз; линейный ток — I, А; к.п.д. — h, %; частота вращения ротора — n, об/мин; коэффициент мощности — cosφ; режим работы; класс изоляции; завод-изготовитель; год выпуска; масса двигателя.

Электрические величины, перечисленные в паспортной табличке двигателя, связаны следующей формулой, кВт:

7. Физические процессы в асинхронном двигателе

Вращающийся магнитный поток двигателя пересекает обмотки ротора и статора и наводит в них электродвижущие силы — э.д.с. Э.д.с. фазы статора определяется по формуле, В:

E₁ = 4,44f₁W₁K_об1Ф,

f₁ — частота тока в обмотке статора, Гц;

W₁ — число витков фазы статора;

K_об1 — обмоточный коэффициент обмотки статора (обычно он близок к единице (0,85—0,97));

Ф — магнитный поток, Вб. Э.д.с. фазы ротора, В:

E₂ = 4,44f₂W₂K_об2Ф.

Частота тока в обмотке ротора меньше, чем в обмотке статора. Объясняется это тем, что обмотка статора пересекается потоком с частотой вращения n1, а обмотка ротора — с частотой вращения n.

Частоты тока ротора и статора связаны зависимостью

f₂ = f₁S.

Отношение э.д.с. фазы статора к э.д.с. фазы неподвижного ротора называется коэффициентом трансформации э.д.с.:

Отношение роторного тока при пуске двигателя (S = 1) к статорному называется коэффициентом трансформации токов:

I₁, I₂ — токи в обмотке статора и ротора;

m₁, m₂ — число фаз статора и ротора.

Для двигателя с фазным ротором m₁ = m₂ = 3.

Для двигателя с короткозамкнутым ротором m₂ = Z₂, где: Z₂ — число пазов ротора.

При пуске двигателя э.д.с. фазы ротора имеет максимальное значение, так как S = 1 и по замкнутой обмотке ротора течет очень большой ток. Большой роторный ток при пуске вызывает соответственно пусковой ток в статорной обмотке, который в 5—7 раз больше номинального. Затем скольжение уменьшается, величина э.д.с. в роторе падает и уменьшается ток в обмотках ротора и статора. При работе без нагрузки частота вращения ротора близка к частоте поля, скольжение близко к нулю, и роторный ток очень мал, так как мала э.д.с.

Ток в обмотке статора при холостом ходе двигателя является намагничивающим, и его величина составляет 0,20—0,60 номинального.

Значительная величина тока холостого хода объясняется наличием воздушного зазора между активной сталью статора и ротора. По мере нагрузки двигателя ротор притормаживается, скольжение и э.д.с. ротора увеличиваются, что приводит к увеличению роторного и статорного токов.

Вращающий момент асинхронного двигателя возникает в результате взаимодействия вращающего магнитного потока и роторного тока; он может быть определен по формуле, Н·м:

где:

Ф — магнитный поток, Вб;

Ψ₂— угол между э.д.с. ротора и током ротора.

При нормальных режимах работы двигателя можно считать, что cos Ψ₂= Обозначив постоянные величины в формуле момента через СМ, получим, Н·м:

M = C_MФI₂.

При постоянном напряжении сети поток двигателя Ф мало изменяется и момент зависит от величины роторного тока, а роторный ток зависит от скольжения, — следовательно, момент двигателя зависит от скольжения. Номинальный момент двигателя может быть определен по формуле, кг·м:

Номинальный момент двигателя — это момент на валу двигателя.

Момент двигателя измеряют в ньютонометрах (Н·м) или в килограммометрах (кг·м). Ньютонометр меньше килограммометра в 9,81 раза.

8. Механическая характеристика двигателя

Механической характеристикой называется зависимость момента от скольжения при постоянном напряжении и частоте сети.

На рис. 19 показана механическая характеристика двигателя. При пуске двигатель развивает пусковой момент МП (S = 1); если пусковой момент больше момента сопротивления рабочей машины МС, то ротор двигателя развернется и двигатель будет работать в точке a характеристики.

Увеличивая момент сопротивления рабочей машины МС, мы будем увеличивать скольжение, и точка a начнет перемещаться по характеристике к точке В точке 1 двигатель развивает максимальный момент, скольжение, соответствующее максимальному моменту, которое называется критическим — SКР. При увеличении момента МС выше момента Мm скольжение быстро растет и ротор двигателя остановится (происходит «опрокидывание» двигателя).

Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента:

Рис. 19. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Кратность пускового момента указывается в каталогах справочных данных, она должна быть больше 0,9.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя:

Перегрузочная способность указывается в каталогах. Она обычно находится в пределах 1,7—2,5. Механическая характеристика имеет две характерные ветви: ветвь (A—B) — устойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя растет); ветвь (В—С) — неустойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя уменьшается). Если в цепь двигателя с фазным ротором вводить активное сопротивление, то максимальный момент, не изменяясь по величине, перемещается в область более высоких скольжений (рис. 20, механическая характеристика II). Можно подобрать такое сопротивление в цепи ротора, что максимальный момент будет при пуске.

Рис. 20. Механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором

Кривая I для двигателей нормального исполнения показывает, что асинхронный двигатель обладает жесткой характеристикой скорости. Асинхронный двигатель с фазным ротором с сопротивлениями в цепи ротора имеет более мягкую характеристику (кривая II). Увеличивая сопротивление в цепи ротора, можно сдвинуть максимальный момент и сравнять его с пусковым моментом.

9. Пуск в ход асинхронных двигателей

Выводы обмоток статора А, В, С, X, Y, Z подключаются на клеммник двигателя, где согласно стандарту они обозначаются: начала С1, С2, С3, и соответственно концы С4, С5, С6. Выводы располагаются так, чтобы их было удобно соединять в звезду или в треугольник, как показано на рис. 21.

Обмотки каждой фазы статора рассчитаны на определенное фазное напряжение U_ф. Поэтому, соединяя обмотку в звезду или в треугольник, можно присоединять двигатель к сетям с напряжением, отличающимся в √3 раз. Например, если U_ф = 127 В, то при соединении статора

в треугольник подключают его к сети с напряже

нием U_L = 220 В. Если U_L = 380 В (U_ф = 220 В), то обмотки статора соединяют в звезду.

Асинхронный двигатель с фазным ротором запускается при помощи реостата, включаемого в цепь ротора (рис. 22). Сопротивление реостата 1, подключается к кольцам ротора 2 при помощи щеток 3.

Рис. 21. Расположение зажимов обмотки статора

Наибольшая величина сопротивления соответствует положению

«пуск». По мере разгона ротора непрерывно уменьшаются его э.д.с. и ток. Это позволяет уменьшать сопротивление реостата 1, передвигая ступенями подвижные контакты 5. К концу пуска ротор оказывается замкнутым накоротко «ход». Реостат рассчитан только на время пуска двигателя.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — его пуск производится прямым включением в сеть. Недостатком такого способа пуска является значительный пусковой ток (4,5—6,5)I_Н при относительно малом пусковом моменте

М_п=(1Р1,6)М_н.

Рис. 22. Схема асинхронного двигателя с фазным ротором

Двигатели очень малой мощности имеют круглые пазы (рис. 23а). У двигателей мощностью более 2—3 кВт пазы ротора имеют форму, показанную на рис. 23б, а при мощности более 20—30 кВт еще более глубокие. Эти пазы заливают расплавленным алюминием. При мощностях двигателей более 120—150 кВт пазы выполняют в виде глубокой щели (рис. 23в) и в них закладывают узкие высокие медные стержни.

Смысл применения глубоких пазов заключается в следующем. В первое

мгновение пуска, когда f₂= f₁, провод, лежащий в глубоком пазу, охватывается магнитными линиями так, как показано на рис. 9.23в. часть провода 1, находящаяся у дна паза, охвачена наибольшим числом линий, а части 2, 3, 4 тем меньшим, чем дальше они от дна паза. Поэтому индуктивное сопротивление нижних слоев металла провода значительно больше, чем верхних, и при f₂ = f₁ весь ток ротора оттесняется к поверхности паза. При этом сечение провода используется не полностью, активное сопротивление обмотки ротора увеличивается и пусковой момент становится большим. Одновременно уменьшается пусковой ток обмотки статора. По мере разгона ротора частота f₂

Рис. 23. Пазы роторов асинхронных двигателей

шается, явление вытеснения тока прекращается и сопротивление обмотки ротора автоматически уменьшается. Аналогично работает двигатель с двойным пазом (рис. 23г).

Для понижения пускового тока двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих при соединении статора в треугольник, часто применяется схема переключения статора на звезду в первом этапе пуска (рис. 24). Если замкнуть ножи переключателя 2 вниз и затем подать напряжение, то напряжение на фазу будет в 3 раз меньше номинального, а ток уменьшится в 3 раза. Когда ротор пришел во вращение, ножи переключателя перекидываются вверх и двигатель работает при номинальном напряжении. Такой пуск вызывает уменьшение пускового момента примерно в 3 раза, и может применяться только там, где двигатель пускается почти вхолостую.

Рис. 24. Схема пуска двигателя переключением статора со звезды на треугольник

10. Однофазные асинхронные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель получил распространение, по преимуществу, при мощности менее 0,5 кВт. Он имеет (рис. 25) однофазную рабочую обмотку статора 1 и короткозамкнутый ротор 3. Переменный ток I₁, проходя по обмотке статора 1, вызывает пульсирующий магнитный поток, который не создает пускового момента.

Если каким-либо способом привести ротор во вращение в любую сторону, то он будет подхвачен тем вращающимся потоком статора, который вращается согласно с ротором.

Для получения вращающего пускового момента в статоре помещают вспомогательную обмотку 2, расположенную со сдвигом на 90° относительно рабочей обмотки. В обмотку 2 пропускают ток I₂, сдвинутый при помощи конденсатора на 1/4 периода относительно тока I₁.

Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами, выполняемый на мощности 0,5—30 Вт, очень прост по конструкции и получил широкое распространение там, где не требуется большой пусковой момент. На рис. 26 показан статор с выступающими полюсами 1, на которых помещена однофазная обмотка, состоящая из двух катушек 2. Эта обмотка создает пульсирующий поток. Полюсные наконечники имеют с одной стороны пазы, в которые помещены короткозамкнутые кольца 3, играющие роль вторичной обмотки трансформатора. В них наводятся токи, сдвинутые по фазе относительно тока в обмотке полюсов, и вследствие пространственного сдвига обмоток в воздушном зазоре получается слабый бегущий поток.

Рис. 25. Схема однофазного асинхронного двигателя

Рис. 26. Однофазный электродвигатель с экранированными полюсами

Короткозамкнутый ротор 4 приходит во вращение. Для улучшения рабочих характеристик двигателя между полюсами накладываются магнитные шунты 5 из стальных пластинок.