§2.2. Конструкция и принцип действия трехфазных асинхронных машин

Рис. 2.3

Конструкция.
   На рис. 2.3 представлена конструктивная схема трехфазной машины с короткозамкнутым ротором типа "беличьей клетки". Внутри корпуса 1, отлитого из стали, чугуна или сплавов алюминия, закреплен неявнополюсный магнитопровод статора 2, набранный из листовой электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Листы штампуются с пазовыми отверстиями и в собранном магнитопроводе на внутренней поверхности образуются пазы для укладки обмотки. Трехфазная обмотка статора 3 обычно выполняется распределенной, т.е. состоит из отдельных катушек, расположенных в пазах вдоль всей окружности статора. У трехфазной обмотки на внешнюю панель выводов либо выходят все 6 выводов, либо обмотки фаз соединяются внутри машины по схеме “звезда” или “треугольник” и на панель выходят 3 вывода. Обмотка статора предназначена для создания вращающегося магнитного поля машины. Магнитопровод ротора 4 выполняется в виде цилиндра, набранного из листовой электротехнической стали с пазами на внешней поверхности. Обмотка ротора 5 типа "беличьей клетки" состоит из неизолированных алюминиевых или медных стержней, расположенных в пазах и замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 2.4,а). Наиболее часто "беличью клетку" с кольцами получают путем заливки алюминия под давлением в пазы ротора.

Рис. 2.4

Асинхронные машины с контактными кольцами отличаются от машин с короткозамкнутым ротором тем, что в пазах ротора 1 (рис. 2.4,б) располагается трехфазная распределенная обмотка 2, соединенная “звездой”. Три вывода обмотки подводятся к трем контактным кольцам 3, расположенным на валу ротора и изолированным друг от друга и от вала; контактные кольца изготавливаются из сплавов меди. По поверхности колец скользят щетки 4, выполненные из композиционных материалов на основе графита, расположенные в щеткодержателях, укрепленных на статоре. Скользящий контакт кольца-щетки позволяет подавать или снимать напряжение с вращающейся обмотки ротора, включать в цепь ротора добавочное сопротивление.

Распределенная обмотка статора.
    Простейшим конструктивным элементом распределенной обмотки является катушка (рис.2.5).

В распределенной обмотке в общем случае магнитные оси катушек не совпадают с результирующей магнитной осью обмотки. Катушка состоит из одного или нескольких последовательно соединенных витков, изготовленных из круглого или прямоугольного медного провода. Расстояние между сторонами катушки (витка) называется шагом катушки по пазам y и примерно равно полюсному делению τ.

Рис. 2.5

Полюсным делением называется часть окружности ротора приходящаяся на один полюс:
τ = πD / 2р_м, где D - диаметр ротора, р_м - число пар полюсов машины.

При y = τ шаг называется диаметральным, при y < τ - укороченным. Изолированные катушки укладываются в пазы в два слоя; таким образом, если одна сторона катушки находится под северным полюсом в верхнем слое паза, то другая сторона -под южном полюсом в нижнем слое паза. Такое расположение обеспечивает одинаковое (по контуру) направление ЭДС в обеих сторонах катушки и одинаковое направление моментов сил, действующих на обе стороны катушки. Катушки объединяются в группы, каждая из которых образует отдельную электрическую цепь – обмотку фазы.

Рис. 2.6

Схема соединения катушек определяет число и расположение фаз и число полюсов в обмотке. На рис. 2.6 в качестве примера показано, как проводники одной обмотки при различной схеме соединения образуют магнитную систему с 1 или 2 парами полюсов. На рис. 2.7 показано образование трех- и двухфазной обмоток. В m - фазной машине каждый полюс создается проводниками всех m фаз, т.о число полюсов одной обмотки фазы равно числу полюсов всей m -фазной обмотки.

Рис. 2.7

Электрические машины с распределенными обмотками являются более сложными в изготовлении, чем машины с сосредоточенными обмотками. Тем не менее в машинах переменного тока в основном применяются распределенные обмотки. Объясняется это тем, что полезное преобразование энергии и сигналов в большинстве машин переменного тока идет по первой гармонике ЭДС, тока, индукции ; высшие гармоники вызывают дополнительные потери мощности или погрешности преобразования сигналов. Сосредоточенные же обмотки не обеспечивают близкого к синусоидальному закона изменения МДС (соответственно, и индукции) в пространстве и ЭДС во времени.

Рис.2.8

В качестве примера рассмотрим МДС двухполюсной сосредоточенной обмотки одной фазы. МДС такой обмотки 1 - 1' с числом витков w (рис. 2.8,а) определяется по закону полного тока: при протекании синусоидального тока с действующим значением I амплитудное значение МДС равно (рис. 2.8.,б)
    В машине с симметричной магнитной системой и одинаковым воздушным зазором в зоне обоих полюсов половина МДС расходуется на проведение потока в зоне северного полюса и половина – в зоне южного полюса. Тогда можно принять, что любой точке полюсного деления соответствует постоянная МДС F_cx = F_c /2, знак которой соответствует знаку индукции данного полюса. Следовательно, МДС распределена вдоль окружности машины по прямоугольному закону (сплошная линия на рис.  2.8,б); знак МДС меняется при переходе оси паза с проводниками. Применяя разложение в ряд Фурье, представляем прямоугольное распределение в виде суммы синусоид:

F_cx = √2/2 Iw 4/π (sin πx/τ + 1/3 sin 3πx/ν +...+ 1/ sin νπx/τ)   (2.5)

где x - расстояние от оси паза; ν - порядковый номер гармоники.
Как видно амплитуда первой гармоники МДС сосредоточенной обмотки
равна

F_cl = 2√2/ π   (2.6)

а ν -й гармоники МДС F_cν = 0,9 Iw /ν.
   Графики 1, 3 и 5 гармоник МДС изображены на рис. 2.8,б пунктирными линиями. Как видно ν -я гармоника мдс создает вдоль расточки машины в ν раз больше магнитных полюсов, чем первая гармоника.

Анализ показывает, что амплитуды высших гармоник при сосредоточенной обмотке весьма велики. Распределение обмотки наряду с укорочением шага катушек относительно полюсного деления (y /τ), и скосом пазов относительно образующей цилиндрической расточки машины позволяет существенно уменьшить влияние высших гармоник. Однако эти же факторы приводят и к уменьшению амплитуды первой гармоники МДС и ЭДС.
    Первая гармоника МДС распределенной обмотки может быть выражена через первую гармонику МДС сосредоточенной обмотки с тем же числом витков и обмоточный коэффициент

F₁ = F_c1K_об.1 = 0,9 I w K_об.1   (2.7)

Обмоточный коэффициент для первой гармоники К_об.1 при распределенной обмотке несколько меньше 1; его конкретное зна-чение зависит от схемы обмотки, шага катушек и скоса пазов.
   Произведение w K_об.1 называют эффективными витками обмотки w_эф.
   Аналогично учитывается влияние распределения обмотки, укорочения шага и скоса пазов на ЭДС обмотки.

Принцип действия.
    Асинхронная машина, как и электрические машины других типов, является обратимой. Принцип действия асинхронной машины основан на электромагнитном взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенными этим полем в роторе. Поскольку наведение ЭДС в роторе возможно только при неравенстве угловых скоростей ротора ω₂ и магнитного поля статора ω₁, то условие ω₂ ≠ ω₁ является обязательным для создания электромагнитного момента в любом режиме работы асинхронной машины. В качестве характеристики этого неравенства вводится понятие скольжения:

s = (ω₁ - ω₂)/ ω₁   (2.8)

Работу асинхронной машины в различных режимах рассмотрим на примере машины с короткозамкнутым ротором.

Рис. 2.9

Пусть магнитное поле статора Ф₁ и ротор вращаются в одну сторону и ω₂ < ω₁ (рис. 2.9,а). Направление ЭДС e₂ ,наводимой в роторе, определяется по мнемоническому правилу правой руки. Токи ротора I₂ во взаимодействии с полем статора создают электромагнитные силы F_эм, направление которых определяется по мнемоническому правилу левой руки.
   Электромагнитный момент М_эм, создаваемый этими силами, направлен в сторону вращения ротора и разгоняет его в сторону поля, электрическая энергия сети преобразуется в механическую энергию на валу ротора, т.е. машина работает в режиме двигателя. Электромагнитный момент, развиваемый двигателем при неподвижном роторе, является пусковым моментом. Угловая скорость, до которой разгоняется ротор, тем больше, чем меньше момент нагрузки на валу двигателя. При отсутствии нагрузки угловая скорость ω₂ стремится к ω₁, но в реальных машинах никогда не достигает ее, т.к. при ω₂ =  ω₁ проводники ротора не пересекают поле и М_эм = 0, а момент сопротивления нулю не равен - его создают силы трения в двигателе. Следовательно, теоретический диапазон работы асинхронной машины в режиме двигателя ω₂ = 0 / ω₁, s = 1 / 0. Режим двигателя является на практике основным режимом работы асинхронной машины.
   Если магнитное поле статора и ротор вращаются в одну сторону и за счет подведения внешней механической энергии ω₂ >  ω₁, то машина переходит в режим генератора (рис. 2.9,б). Однако трехфазные асинхронные машины в этом режиме используются крайне редко. Теоретический диапазон асинхронной машины в режиме генератора ω₂ = 0 / ∞, s = 0 / (-∞).
   Если ротор вращается в сторону, противоположную магнитному полю статора (рис. 2.9,в), то электромагнитный момент М_эм направлен против направления вращения ротора и является тормозным. Происходит потребление электрической энергии из сети и механической энергии от устройства, вращающего ротор машины против поля. Вся потребляемая энергия выделяется в виде тепловой, и машина работает в режиме электромагнитного тормоза (торможение противовключением). Теоретический диапазон работы асинхронной машины в режиме торможения противовключением ω₂ = 0 / (-∞), s = 1 / ∞
   Линейный асинхронный двигатель в простейшем случае можно получить, если вращающийся двигатель разрезать по диаметру и развернуть на плоскости. При этом магнитное поле получается не вращающимся, а бегущим, и электрическая энергия преобразуется в механическую поступательного движения.