Л Е К Ц И Я 11 а
План лекции
9. Электрические машины
9.1. Общие сведения.
10. Асинхронные машины.
10.1. Устройство и принцип действия трёхфазного двигателя. Уравнения электрического и магнитного состояний.
Асинхронные двигатели: общие сведения, устройство.
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 магнитного поля. Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели, причем из всех электрических двигателей они являются самыми распространенными. Их преимущества:
- простота устройства,
- простота изготовления и эксплуатации,
- большая надежность и сравнительно низкая стоимость.
Широкое применение находит трехфазный асинхронный двигатель, изобретенный в 90-х годах прошлого века русским электротехником М.О.Доливо-Добровольским. Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными, что позволяет использовать их в устройствах, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.
Асинхронные машины могут работать в режиме генератора. Но асинхронные генераторы как источники электрической энергии не применяются, так как они не имеют собственного источника возбуждения магнитного потока и могут работать только параллельно с другими (синхронными) генераторами, имеющими лучшие показатели. Асинхронные двигатели применяются для привода машин и механизмов, к скорости вращения которых не предъявляются жесткие требования.
Недостатком асинхронных машин является относительная сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных характеристик. Асинхронная машина состоит из статора - неподвижной части - и ротора - вращающейся части (рис.).
Статор представляет собой полый цилиндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга. Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляется в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающем его со всех сторон. На внутренней поверхности сердечника в его пазах закладывается обмотка статора, которая у трехфазного асинхронного двигателя состоит из трех фазных обмоток, смещенных по окружности цилиндра друг относительно друга на 120.
Рис.32
Ротор асинхронной машины также набирают из стальных штампованных листов в форме диска, насажанных на вал. Они образуют ротор, имеющий форму цилиндра. По окружности диска выштамповывают отверстия, образующие пазы ротора, в которые закладывают обмотку.
По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные машины подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.
Короткозамкнутая обмотка образуется медными неизолированными стержнями, помещаемыми в пазы ротора. Поперечное сечение этих стержней имеет форму паза. Такие стержни иногда получают методом заливки в пазы ротора расплавленного алюминия. По торцам стержни объединяются короткозамыкающими кольцами, выполненными из однородного металла. Получается обмотка, не имеющая никаких выводов, по внешнему виду напоминающая конструкцию колеса, называемого "беличьей клеткой".
Принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: понятие о скольжении, формула скольжения.
В начале вопроса рассмотрим получение вращающегося магнитного поля.
На рис. показано условное сечение статора. А, В, С- начала витков каждой фазы. X, Y, Z - концы витков. Плоскости витков каждой фазы сдвинуты относительно друг друга на 120. ax, by, cz - оси обмоток, вдоль которых направлены МДС каждой обмотки.
Рис.33
На временной диаграмме показаны токи в каждой обмотке при соединении их по схеме "звезда".Если принять направление тока в началах витков от наблюдателя к чертежу (условно "+"), то в момент t1
FC = iC WC = 0
FA = FB где FA = iA WA, FB = iB WB
По правилу буравчика определяем направление МДС F и F.Суммарная МДС направлена вдоль оси cz.
В момент t2 FB = FC = 0,5 FA. Суммарная МДС направлена вдоль оси ax.
В момент t3 FB = 0, F = FC. Суммарная МДС направлена вдоль оси by.
При этом в любой момент времени суммарная МДС имеет постоянное значение, равное 1,5 Fm. Таким образом, МДС изменяет свое направление
с течением времени, то есть вращается. Частота ее вращения 
,
где f - частота тока сети,
p - число пар полюсов машины.
Рассмотрим теперь принцип действия и режимы работы асинхронной
машины.
Ток в обмотках статора, подключенных к трехфазной сети, создает в машине поле, вращающееся относительно статора со скоростью n (с такой скоростью вращается вектор МДС и магнитного потока). Магнитный поток, при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. В замкнутых через контактные кольца обмотках ротора потечет ток, магнитное поле которого взаимодействует с полем статора. В результате этого взаимодействия на валу машины возникает электромагнитный момент. При движении ротора в направлении вращения поля статора момент считается вращающим, в противном случае - тормозящим. Частота вращения ротора n должна отличаться от частоты магнитного поля статора. Только при этом условии магнитное поле статора движется относительно проводников ротора и наводит в них ЭДС. По этой причине двигатель называется асинхронным. Относительное отставание частоты вращения ротора от частоты вращения поля статора называется скольжением.
Величина скольжения определяется как
или в процентах 100%,
где n1 - частота вращения магнитного поля статора,
n - частота вращения ротора.
В зависимости от соотношения скоростей n1 и n различают три режима работы асинхронной машины:
- при n > n1 (n > 0) электромагнитный момент поворачивает ротор в направлении вращения поля. Момент является вращающим. Машина работает как двигатель (0 < S < 1).
- при n > n1, машина работает в режиме генератора (S < 0). Момент, приложенный к обмоткам ротора направлен встречно движению, т.е.является тормозящим.
- если вращение ротора направлено встречно полю статора, то такой режим называется режимом электромагнитного тормоза. При этом n < 0, S > 1. Такой режим используется в подъемно-транспортных устройствах.
Уравнения электрического и магнитного состояний.
Если цепь ротора разомкнуть, то ток его, протекающий в обмотке, отсутствует. В этом случае отсутствует и взаимодействие между статором и ротором. Ротор остается неподвижным. При этом машину можно рассматривать как трансформатор в режиме холостого хода.
По аналогии с трансформатором U1=-e1-e1p+r1i10.
Относительная величина тока холостого хода в асинхронном двигателе вследствие воздушного зазора между статором и ротором существенно больше и составляет i10= 25 - 50%. ЭДС, наводимые в обмотках статора Е1 и ротора Е2, определяются выражениями
E2 = 4,44 f W 1Ko1Фm,
E2 = 4,44 f W 2Ko2 Фm,
где Ко1 < 1 и Ко2 < 1 - обмоточные коэффициенты.
Если замкнуть цепь ротора и внести его во вращающееся поле статора, то наводимая в роторе ЭДС создаст ток в обмотке ротора. При вращении ротора частота наводимой в ней ЭДС станет равной
где n2 = n1 - n = n1S.
Таким образом, при вращении ротора наводимая в его обмотке ЭДС 
Индуктивное сопротивление рассеяния 
Уравнение электрического состояния цепей статора и ротора имеет
вид:
где 
рассеяния
Ток в обмотке ротора
Выразим ток через скольжение:
Первое выражение для тока характеризует реальный процесс.
I2 и E2s изменяются с действительной частотой f2. Второе выражение для тока I2 соответствует неподвижному ротору. I2 и E2 изменяются с частотой питающей сети f.
Суммарная МДС всех обмоток статора вращается со скоростью n1.
Амплитуда МДС вторичных обмоток ротора: F 1= 1,5 I2m W2.
Можно показать, что МДС ротора также вращается со скоростью n1, то есть МДС статора и ротора можно суммировать
Ток статора можно выразить через приведенный ток ротора
1. За счет воздушного зазора между статором и ротором магнитное сопротивление машины велико, в связи с этим ток холостого хода значителен.