Устройство трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Недостатки электродвигателя с короткозамкнутым ротором и возможности их устранения

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя. Скольжение. Зависимость частоты тока, индуктивного сопротивления, э.д.с. обмотки ротора и коэффициента мощности от скольжения.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

В основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон электромагнитной индукции.

Неподвижная часть асинхронного двигателя – статор имеет трехфазную обмотку, при включении которой в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля

n₁=f₁∙60/p.

Вращающаяся часть двигателя – ротор, который состоит из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора состоит из стержней, уложенных в пазы сердечника и замкнутых с двух сторон кольцами.

Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них э. д. с. Но так как обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы F_пр, направление которых определяется по правилу «левой руки». Силы F_пр стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_пр, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение со скоростью n₂. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависит от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. При необходимости изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя следует поменять местами любую пару проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

Разность скоростей ротора и вращающегося поля статора характеризуется величиной, называемой скольжением,

s=(n₁ - n₂)/n₁,в процентах: s=[(n₁ - n₂)/n₁]∙100.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в пределах от 0 до 1. При этом s≈0 соответствует режиму ХХ, когда ротор двигателя не испытывает противодействующих моментов, а s≈1 соответствует режиму КЗ,когда противодействующий момент двигателя превышает вращающий момент и поэтому ротор двигателя неподвижен (n₂=0).

Скольжение, при номинальной нагрузке, называется номинальным.Скольжение асинхронного двигателя в зависимости от нагрузки меняется незначительно (1-6%). Чем больше мощность двигателя, тем меньше его скольжение.

Скольжение S характеризует скорость пересечения обмоток ротора вращающимся магнитным полем. С изменением скорости вращения двигателя изменяется скольжение S и соответственно изменяется частота ЭДС и токов в роторе, что видно из уравнения:

f₂ = p(n_o - n)/60 = pn_o/60 ∙ (n_o - n)/n_o = f₁ ∙ S.

При пуске двигателя S = 1; f₂ = f₁, при ХХ: S ≈ 0, f₂ ≈ 0.

Наибольшее значение э. д. с. Е₂ в обмотке ротора асинхронного двигателя возникает в момент пуска, когда ротор неподвижен (n = 0, S = 1) и магнитный поток пересекает обмотку ротора с максимальной скоростью. Поэтому величина тока ротора, а следовательно, и тока статора в этот момент будет также наибольшей.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 - 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе.

Устройство трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Недостатки электродвигателя с короткозамкнутым ротором и возможности их устранения.

Неподвижная часть машины - статор - состоит из сердечника, обмотки и корпуса (станины). Сердечник статора является частью магнитопровода машины, имеет форму полого цилиндра с равномерно расположенными на внутренней поверхности пазами осевого направления.

Он представляет собой пакет, набранный и спрессованный из отдельных тонких листов электротехнической стали (толщиной 0,5 или 0,35 мм), отштампованных в виде колец с равномерно расположенными вдоль внутренней окружности выступами и впадинами, которые при сборке образуют пазы. Листы до сборки в пакет с обеих сторон покрывают изоляционной пленкой (окалиной или лаком) для уменьшения вихревых токов, возникающих в сердечнике при работе машины, и снижения потерь энергии в ней.

В пазах сердечника размещают трехфазную обмотку, выполненную из изолированного медного (реже алюминиевого) провода.
Сердечник статора с обмоткой расположен (обычно запрессован) внутри корпуса, который отливают из чугуна или алюминиевого сплава. К корпусу статора крепятся два литых подшипниковых щита со сквозными центральными отверстиями для подшипников, в которых вращается вал ротора.
Концы обмотки статора присоединены к зажимам, расположенным в коробке выводов, укрепленной на корпусе двигателя.

Вращающаяся часть машины - ротор - состоит из сердечника, обмотки и вала. Сердечники статора и ротора разделены небольшим (обычно 0,1...0,4 мм) воздушным зазором.
Сердечник ротора 1, являющийся частью магнитопровода, представляет собой спрессованный из отдельных тонких листов электротехнической стали пакет, имеющий форму цилиндра с продольными пазами по наружной поверхности и центральным отверстием для вала.

У двигателей с короткозамкнутым ротором роторная обмотка представляет собой вставленные в пазы сердечника неизолированные медные или алюминиевые стержни, торцы которых с обеих сторон соединены короткозамыкающими кольцами, выполненными обычно из того же материала, что и стержни.

Такую короткозамкнутую обмотку называют также «беличьей клеткой.

Устройство статора асинхронного двигателя с фазным ротором и его обмотка не отличаются от устройства статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Различие между этими электродвигателями заключается в устройстве ротора.

Фазный ротор имеет три фазные обмотки, соединенные между собой звездой (реже треугольником). Концы фазных обмоток ротора присоединяют к трем медным кольцам, укрепленным на валу ротора и изолированным как между собой, так и от стального сердечника ротора, вследствие чего этот двигатель получил также название двигателя с контактными кольцами. Три кольца жестко насажены на вал ротора (через изоляционные прокладки). На кольца накладываются щетки, которые размещены в щеткодержателях, укрепленных на одной из подшипниковых крышек.
Щетки, скользящие по поверхности колец ротора, все время имеют с ними хороший электрический контакт и соединены, таким образом, с обмотками ротора. Щетки соединены с трехфазным реостатом.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором наряду с простотой конструкции, высокой надежностью в работе, долговечностью, низкой стоимостью и универсальностью, обладает одним существенным недостатком: при его пуске возникает пусковой ток, значение которого в 5-7 раз больше номинального. Большой пусковой ток, на который электрическая сеть обычно не рассчитана, вызывает значительное снижение напряжения, что, в свою очередь, отрицательно влияет на устойчивую работу соседних электроприемников.

Чтобы уменьшить пусковые токи трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей больших мощностей, их включают с помощью переключателя схем со "звезды" на "треугольник". При этом сначала обмотки двигателя соединяются по схеме "звезда", потом, после того как ротор двигателя наберет номинальную частоту вращения, его обмотки переключаются в схему "треугольник".

Недостатки асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором затруднения в регулировании скорости вращения; низкий cos φ при недогрузка

1.3 Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока. Условия самовозбуждения.