Асинхронный электродвигатель.

Принцип действия.

Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная бесколлекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асинхронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель.

Общий недостаток асинхронных машин - это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы.

Трехфазная асинхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака (рис. 20, а). В пазах на внутренней стороне статора размещаются три фазные обмотки. Каждая фазная обмотка содержит одну или несколько катушечных групп, соединенных последовательно и расположенных вдоль окружности статора на равном расстоянии друг от друга. На рис. 20, б показано расположение в пазах статора одной фазной обмотки, состоящей из двух катушечных групп. Здесь А - начало, а X - конец фазной обмотки.

Фазные обмотки соединяются между собой звездой или треугольником и подключаются к трехфазной сети. Токи в фазных обмотках возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора с числом пар полюсов р, равным числу катушечных групп в одной фазной обмотке. Это достигается взаимным расположением фазных обмоток, при котором их катушечные группы сдвинуты по окружности статора относительно катушечных групп соседней фазной обмотки на угол 120°/р. В частности, для обмотки четырехполюсной машины (р = 2) этот угол равен 60° (рис. 20, б).

Рис. 20

Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник (рис. 21, а), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки (рис. 21, б) из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (так называемое " беличье колесо"). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контактными кольцами (рис. 21, в), выполняется изолированным проводом.

Рис. 21

В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированными от этого вала. Па кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату (рис. 22).

Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить условия пуска двигателя - уменьшить пусковой ток и увеличить начальный вращающий момент, кроме того, при помощи реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

На рис. 23 приведены условные обозначения асинхронных машин с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором на схемах замещения.

Общий вид корпуса асинхронной машины с укрепленным на нем необмотанным сердечником статора, но без обмотки, приведен на рис. 24.

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется электромагнитным взаимодействием токов в обмотках статора и ротора.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемые в его обмотке ЭДС, а следовательно, и токи. Если частота вращения поля n₁, а частота вращения ротора n, то режим работы асинхронной машины можно характеризовать скольжением

(10)

Рис. 22

Рис. 23

На рис. 25 построена линейная характеристика n(S) по (10). В зависимости от значения скольжения S трехфазная асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

В режиме двигателя (0 < S < 1) трехфазная асинхронная машина преобразует электрическую энергию в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно медленнее поля, с такой частотой, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (S < 0) трехфазная асинхронная машина преобразует механическую энергию в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой большей, чем частота вращения поля.

Рис. 24

Рис. 25

В режиме электромагнитного тормоза (S > 1) ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора. При этом в машине рассеивается значительная энергия в магнитопроводе из-за гистерезиса и вихревых токов и обмотках.

Выше уже отмечалось преимущественное применение асинхронных машин в качестве двигателей. Поэтому в дальнейшем ограничимся в основном анализом работы асинхронного двигателя.