Устройство и принцип действия АД.

Работа АД основана на явлении электромагнитной индукции (закон Фарадея) и силе Ампера – силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Магнитное поле (МП) создает статор – неподвижная часть АД. Это полый наборный цилиндр из ферромагнитного материала (ФМС), в пазах статора 3 (или 3р) обмоток, сдвинутых относительно друг друга на 120^О. Обмотки питаются от сети трехфазного переменного тока. Каждая обмотка создает свое магнитное поле, которое изменяется по синусоидальному закону. В результате сложения полей трех обмоток в полости статора образуется МП, постоянное по величине и переменное по направлению – вектор МП поворачивается в плоскости, перпендикулярной оси статора – т.е. вращающееся МП.

Скорость вращения МП статора – n₁ зависит только от частоты сети f₁ и числа пар полюсов р (число обмоток / 3)

(4.1)

(3 обм.) р=1 n₁ = 3000 об/мин

(6 обм.) р=2 n₁ = 1500 об/мин

………………………………………

(18 обм.) р=6 n₁ = 500 об/мин

Ротор – подвижная часть АД, расположен на оси АД.

Ротор бывает двух типов:

1. Короткозамкнутый – (беличье клетка) – два медных кольца, соединенных медными стержнями.

2. Фазный – имеет три обмотки, соединенные звездой. Концы обмоток выведены на контактные кольца, к которым с помощью щеток можно подключить трехфазный пусковой реостат Rп. АД с фазным ротором обладает улучшенными пусковыми и регулировочными свойствами (см. пуск и регулирование скорости АД).

Принцип действия АД – трехфазный переменный ток I₁, протекая по обмоткам статора, создает переменное вращающееся МП, которое в витках ротора индуктирует ЭДС Е₂. Витки ротора замкнуты, по ним течет то I₂. На проводник с током в МП действует сила Ампера и ротор начинает вращаться в направлении МП. Но скорость вращения ротора n всегда меньше скорости вращения МП n₁ – т.е. асинхронное вращение – асинхронный двигатель.

Если n = n₁, то МП неподвижно относительно ротора, т.е. постоянно, а постоянное поле не индуктирует ЭДС (dФ/dt = 0, => ЭДС ротора = 0, => I₂=0, => F_A=0, => Мвр=0)

Основные уравнения АД

Скольжение – относительная разность скорости МП n₁ и ротора n.

(4.2)

Скорость изменения МП в роторе пропорциональна разности скоростей (n₁ – n), т.е. скольжению => ЭДС ротора Е_2S, частота тока в роторе f_2S и индуктивное сопротивление ротора X_2S пропорциональны скольжению S

E_2S = E₂ S (4.3)

f_2S = f₂ S (4.4)

X_2S = X₂ S (4.5)

где: E₂, f₂=f₁, X₂ – ЭДС, частота и индуктивное сопротивление неподвижного ротора (при n = 0, S = 1).

Электромагнитные процессы в АД такие же, как в трансформаторе (при n=0, S=1 АД – это трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой), поэтому для анализа АД можно использовать основные уравнения трансформатора с учетом соотношений 4.3 – 4.5

Из уравнения трансформатора (3.5) (U₂ = E₂ – I₂r_m2 – I₂x_s2), учитывая, что ротор короткозамкнут (Z_Н = 0 => U₂ = 0) получим для АД

(4.6)

Из (4.6) ток ротора I₂

(4.7)

Z₂ – полное сопротивление вращающегося ротора (зависит от S, т.е.

от n).

Момент вращения АД

Момент вращения пропорционален силе Ампера – силе, действующей на проводник с током в МП

М_вр ~ F_A ~ I₂ B sin(B^I₂)

B ~ Ф ~ U₁

sin(B^I₂) ~ cos(E₂ ^I₂) ~ r₂ / Z₂

(4.8)

1. Мвр ~ U₁² => Мвр резко падает при уменьшении напряжения питания статора U₁

2. Если n = n₁, => S = 0, => Мвр = 0, т.е. скорость ротора n всегда меньше скорости МП статора n₁.

3. Из условия dM/dS = 0 можно определить критическое скольжение, при котором момент АД будет максимальным

Sкр = r₂ / x₂

Подставив Sкр в уравнение 4.8 получим

т.е. М_max не зависит от активного сопротивления ротора r₂. Это используется при пуске и регулировании скорости АД.