1. Копылов Б.В. Электрические машины. М., 1988 г.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

Обсуждено на заседании кафедры

Асинхронная машина состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.1). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Рис.1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

1, 11 — подшипники; 2 — вал; 3, 9 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 6 — сердечник статора с обмоткой; 7 — корпус; 8 — обмотка статора; 10 — вентилятор; 12 — кожух вентилятора; 13 – наружная оребренная поверхность корпуса; 14 – лапы; 15 – болт заземления

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса 7 и сердечника 6 с трехфазной обмоткой 8. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 6, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя — ротор, состоящий из вала 2 и сердечника 5 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рис.2, а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Рис.2. Короткозамкнутый ротор:

а – обмотка «беличья клетка»; б – ротор с обмоткой, выполненной литьем под давлением;

Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис.2, б).

Вал ротора вращается в подшипниках качения 1 и 11, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 9.

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса 13. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 10 прикрытым кожухом 12. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части (обмотки, сердечники) двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис.3). В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Рис.3. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек

при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо посредством лап 14 (см. рис.1), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления 15 (не менее двух). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис.4, а.

Рис.4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей — двигатели с фазным ротором — конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис.5). Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис.6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис.4, б. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R_доб.

На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).

Рис.5. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором:

1, 7 — подшипники; 2, 6 – подшипниковые щиты; 3 — корпус; 4 – сердечник статора с обмоткой; 5 – сердечник ротора; 8 — вал; 9 – коробка выводов; 10 — лапы; 11 – контактные кольца

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂ Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

Фазное напряжение — разница потенциалов между началом и концом одной фазы. Другое определение для соединения «звезда»: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы «треугольник» отсутствует нейтраль).

Линейное напряжение — разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).

Звезда	Треугольник	Обозначение
		Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В,
		Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А,
		S — полная мощность, Вт
		P — активная мощность, Вт

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

• ,где C_раб — емкость рабочего конденсатора, мкФ,
• I_ном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного двигателя, А,
• U₁ – напряжение однофазной сети, В.

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение от устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.
FU1-FU9 — плавкие предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 — асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;
• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Использование частотного преобразователя позволяет:
• уменьшить энергопротребление электродвигателя;
• управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
• полеориентированное управление по датчику;
• полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Фазный ротор

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.