Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Электродвигатель – это основной элемент электропривода, осуществляющий преобразование электрической энергии в механическую, для приведения в движение различных станков и механизмов, транспортных и подъемных средств, подвижных частей приборов и аппаратов. Электромашиностроительной промышленностью изготавливаются силовые электродвигатели мощностью от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт. Наибольшее применение в современном электроприводе получили асинхронные электродвигатели, отличающиеся простотой конструкции и надежностью, высокими технико-экономическими показателями.

Асинхронная машина была изобретена М.О. Доливо-Добровольским и она была настолько совершенной, что до сих пор существенного изменения не получила.

Асинхронная машина имеет две основные части:

1) Статор – неподвижная часть машины, представляет собой магнитопровод, выполненный из листов электротехнической стали в виде полого цилиндра. Внутри этот цилиндр зубчатый, т.е. имеет выступы и пазы, в которые укладывается обмотка, предназначенная для создания вращающего магнитного поля. Обмотка состоит из 3-х фаз, оси которых сдвинуты на 120°. Статор служит для создания вращающего магнитного поля и передачи энергии со статора на ротор.

2) Ротор – подвижная (вращающаяся) часть машины, выполнен в виде сплошного цилиндра, набранного из листов электротехнической стали. С наружи имеются пазы, где укладывается обмотка. Железо ротора насажено на вал. Между статором и ротором имеется воздушный зазор d = 0,3 ¸ 1,5 мм.

 

По конструкции ротора асинхронные машины делятся:

 

1) Асинхронная машина с фазным ротором, рис. 2.1

 

Рис 2.1. Асинхронный двигатель с фазным ротором (1 – обмотки, 2 – контактные кольца, 3 – щетки, 4 – сопротивления )

 

2) Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, рис. 2.2

 

Рис. 2.2. Короткозамкнутый ротор, выполненный в виде «беличьей клетки»

 

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого моля n1, или синхронная частота вращения (об/мин), прямо пропорциональна частоте переменного тока f и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки:

(2.1)

Для объяснения принципа действия трехфазного асинхронного двигателя воспользуемся упрощенной моделью, состоящей из неподвижной части 1 – называемой статором, и вращающейся части 2 называемой ротором, разделенных воздушным зазором (рис. 2.3). Сердечник статора состоит из спинки (ярма), через которую замыкается магнитный поток вращающегося магнитного поля, и зубцов, между которыми находятся пазы с расположенной в них трехфазной обмоткой. В расточке сердечника статора находится ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки, которая расположена в пазах сердечника и состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых с обеих сторон кольцами (рис. 2.2). Такая обмотка называется короткозамкнутой, выполненной в виде «беличьей клетки».

 

Рис. 2.3. Упрощенная модель асинхронного двигателя

 

При включении обмотки статора в трехфазную сеть в магнитной системе двигателя возникает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой n1. Поле сцепляется обмоткой ротора и индуцирует в его стержнях электродвижущее силы, направление которых определяют по правилу «правой руки». Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС, наведенные в стержнях этой обмотки, создадут в них токи. В результате взаимодействия токов в роторе с вращающимся полем статора на стержнях ротора создаются электромагнитные силы Fэм направление которых определяют по правилу «левой руки». Совокупность Fэм электромагнитных сил образует на роторе электромагнитный момент М, под действием которого ротор приводится во вращение с частотой n2 в направлении вращения магнитного поля статора. Вращение ротора через вал передается рабочему механизму. Таким образом электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в асинхронном двигателе в механическую энергию вращения.

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения n2 ротора меньше синхронной частоты вращения n1 магнитного поля статора. Поэтому слово асинхронно означает неодновременное вращение поля статора и ротора.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения ns= n1 n2. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной S, называемой скольжением:

(2.2)

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0–100%. Если S≈0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента, если S=1 – режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2=0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с её ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 0,08 до 0,02, т. е. 8–2%.