Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую, и двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Машины переменного тока в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные. Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньшей скоростью, т. е. асинхронно. Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Асинхронная машина была изобретена М. О. Доливо-Добровольским еще в 1888 г., но до настоящего времени сохранила свои основные черты. В синхронной машине скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора и не зависит от нагрузки двигателя. Все электрические машины обратимы, т. е. могут служить как двигателями, так и генераторами. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели, а синхронные — и как двигатели, и как генераторы. Практически все генераторы переменного тока — синхронные. Устройство и принцип работы асинхронного двигателя Асинхронный двигатель, изобретенный в 1888 г., благодаря простоте своей конструкции и в настоящее время распро странен настолько широко, что является основой электропривода. Принцип работы асинхронных двигателей основан на опыте Араго. Если под горизонтально подвешенным на нити диском из проводящего немагнитного материала (например, из меди) поместить вращающийся подковообразный магнит, то диск начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. Это явление объясняется следующим образом. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитом, индуцирует в диске замкнутые вихревые токи. Эти вихревые токи, в соответствии с законом Ампера, взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, благодаря чему создается вращающий момент. Диск начинает вращаться в ту же сторону, что и поле, причем по мере увеличения скорости диска скорость диска относительно поля уменьшается, что приводит к уменьшению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. Диск начинает приостанавливаться, и скорость диска относительно поля увеличивается, что приводит к повышению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. В конце концов установится равновесие, при котором диск будет вращаться с некоторой постоянной скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля, т. е. вращение диска будет асинхронным. Вот это явление асинхронного вращения диска из проводящего немагнитного материала во вращающемся магнитном поле и положено в основу устройства асинхронных двигателей. Причиной исключительно широкого распространения асинхронного двигателя являются простота его конструкции и невысокая стоимость. Основные части асинхронного двигателя изображены на рис. 8.1. Двигатель состоит из статора 1 с рабочими обмотками, ротора 3 с лопастями вентилятора 2 и двух щитов с подшипниками для вала ротора и вентиляционными отверстиями 4.
Сердечник статора представляет собой цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, которые для уменьшения потерь от вихревых токов изолированы друг от друга слоями лака. На его внутренней цилиндрической поверхности имеются пазы, расположенные параллельно оси двигателя. В эти пазы укладывается обмотка, к которой подводится трехфазное напряжение. В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120°. В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле. Для создания четырехполюсного вращающегося магнитного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6-ти и т. д. Начала и концы обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса. Ротор асинхронного двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали (см. рис. 8.1), с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса» (рис. 8.2). Здесь каждая пара диаметрально проти
воположных стержней с соединительными кольцами представляет собой рамку, т. е. короткозамкнутый виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым. Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника. 18. Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Ротор асинхронного двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали (см. рис. 8.1), с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса» (рис. 8.2). Здесь каждая пара диаметрально проти
воположных стержней с соединительными кольцами представляет собой рамку, т. е. короткозамкнутый виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым. Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника. 19. Объясните создание вращающегося магнитного поля трехфазной обмоткой машины переменного тока. Если три катушки, расположенные по окружности под углом 120° друг относительно друга, включить в трехфазную сеть переменного тока, а в центре этой окружности поместить магнитную стрелку на оси, то стрелка придет во вращение. Следовательно, эти три катушки создают вращающееся магнитное поле.
Рассмотрим подробнее механизм создания вращающегося магнитного поля. Зависимости токов в катушках от времени изображены на рис. 8.3. Выберем четыре момента времени t1,t2,t3 и t4 через одну шестую часть периода.
Для каждого из этих моментов последовательно изобразим направления результирующего магнитного поля внутри статора трехфазной машины, которая имеет три обмотки по одному витку (рис. 8.4). Начала обмоток обозначены буквами А, В и С, а концы — X, У и Z соответственно. Ток в начале обмотки будем считать направленным к нам (обозначается точкой), если его значение положительно. Крестиком обозначено направление от нас. В момент времени t1 обмотка А~Х потока не создает (1а = 0); в начале обмотки В ток направлен от нас (iв < 0), а в конце этой обмотки Y — к нам; в начале обмотки С ток направлен к нам (ic > 0), а в конце этой обмотки Z — от нас. Таким образом в двух расположенных рядом проводниках С и Y, перпендикулярных к плоскости чертежа, токи в момент t1 направлены в одну сторону и создают магнитное поле, направленное по правилу буравчика против часовой стрелки, а токи в проводниках В и Z создают магнитное поле, направленное по часовой стрелке. Оба магнитных поля в центре статора имеют одинаковое направление (вверх) и складываются. Направление суммарного магнитного поля показано на рис. 8.4 стрелкой. Определяя аналогичным образом направление суммарного магнитного поля в моменты времени t2,t3 и t4, мы увидим, что направление магнитного поля за половину периода изменится на 180°. Легко убедиться, что за период направление суммарного магнитного поля сделает один оборот и, следовательно, скорость вращения магнитного поля в данном случае будет равна частоте переменного тока. Таким образом, внутри статора существует постоянное по значению равномерно вращающееся магнитное поле. Этот способ создания вращающегося магнитного поля положен в основу устройства трехфазных асинхронных двигателей. Если поменять две любые фазы местами (при этом изменится последовательность токов), то суммарный вектор магнитной индукции В будет вращаться против часовой стрелки. Изменением последовательности фаз пользуются для изменения направления вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя, т. е. для реверсирования.
|
