Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

f — частота трехфазного тока; р — число пар полюсов.

В асинхронном электродвигателе катушки из провода, необходимые для получения вращающегося магнитного поля, размещаются на не­ подвижной части двигателя — его статоре. В качестве примера на рис. 7.1 схематически показано размещение шести катушек на статоре асинхронного электродвигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя состоит в следующем. Во вращающееся двухполюсное магнитное поле помещен один или несколько замкнутых витков (рис. 7.2). На рисунке вращающееся поле условно изображено в виде двух полюсов электромагнита, вращающе­

гося по часовой стрелке. Магнитные силовые линии при вращении поля пересекают виток и по известному нам закону электромагнитной ин­ дукции наводят в нем э. д. с. Если замкнуть виток, в нем под действием э. д. с. будет протекать электрический ток.

Направление тока в проводах витка, определяемое по правилу пра­ вой руки*, показано на рисунке крестиком и точкой. Магнитный поток, создаваемый током вокруг витка, будет взаимодействовать с вращаю­ щимся магнитным полем статора и в результате этого взаимодействия проводник будет двигаться. Направление механических сил, дейст­ вующих на проводники, составляющие виток, определяется по правилу левой руки. На рисунке эти силы, показаны стрелками. Из рисунка видно, что под действием указанных сил виток будет вращаться в ту же сторону, в какую вращается магнитное поле. Скорость вращения витка оказывается близкой к скорости вращения магнитного поля, но не рав­ ной ей (несколько меньшей).

* Пользуясь в данном случае правилом правой руки, следует учесть, что направление движения проводника относительно линий магнитного поля будет обратно направлению вращения поля, т. е. будет направлено против часовой

стрелки.

101

Таков принцип действия асинхронного электродвигателя. Двига­ тель называется асинхронным потому, что его ротор вращается не син­ хронно с вращающимся магнитным полем, т. е. несколько отстает от него. Ни при каких условиях синхронного вращения ротора быть не может, так как в этом случае магнитные силовые линии поля не будут пересекать проводники ротора, а следовательно, в них не будет проте­ кать ток, на взаимодействии которого с вращающимся магнитным по­ лем основана работа электродвигателя.

§ 7.2. Конструктивное устройство асинхронных электродвигателей

Асинхронный электродвигатель состоит из следующих основных частей: неподвижной части — статора, вращающейся части — ротора и двух подшипниковых щитов, в которые помещают концы вала ротора

(7.3, б).

В чугунный или алюминиевый корпус статора' запрессовывается кольцеобразный сердечник, собранный из стальных листов (рис. 7.4), толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака или тонки­ ми листами бумаги. Из таких же стальных штампованных листов соби­

102

рают ротор. Сердечники служат магнитопроводом для магнитного по- 1-ока, создаваемого обмоткой статора и ротора, которая размещается в пазах, выштампованных в сердечниках. Устройство сердечников из тонких стальных листов приводит к уменьшению вихревых токов, об­ разуемых в них при пересечении магнитными потоками.

Обмотка статора выполняется в виде катушек из изолированного провода, заранее заготовленных и уложенных в пазы.

Шесть концов трехфазной обмотки статора выводятся наружу и кре­ пятся к контактным зажимам специального щитка на корпусе электро­ двигателя или снабжаются маркированными наконечниками.

„Треугольник* „ЗВезда”

К сети К сети

Выведенные концы дают возможность соединить обмотку статора

ив звезду и в треугольник. При наличии щитка концы фаз подводятся

кего зажимам (для удобства пересоединения обмотки) по схеме, ука­ занной на рис. 7.5. Пересоединяя металлические планочки, имеющиеся на щитке, в одном случае получается соединение обмотки в треуголь­ ник, в другом — в звезду. При конструкциях электродвигателя без выводного щитка соединение обмотки в звезду или в треугольник до­ стигается соответственным соединением ее выведенных маркированных

концов.

Пересоединение обмотки статора позволяет использовать один

итот же электродвигатель при двух напряжениях. Так, например, если электродвигатель рассчитан на работу при соединении обмоток статора в звезду под напряжением 380 В, то он может развивать ту же мощность

ипри тех же оборотах под напряжением 220 В при соединении обмоток статора в треугольник. Обмотки роторов асинхронных электродвига­

103

телей небольшой мощности выполняют короткозамкнутыми, а средней и большой мощности с трехфазной обмоткой из изолированных прово­ дов так же, как и обмотка статора. На рис. 7.6 показан электродвига­ тель с фазным ротором, трехфазные обмотки которого выполнены из изолированного провода. Обмотка уложена в пазы ротора так, что кон­ цы их соединены в звезду на самом роторе, а начала проводов присоеди­ няются к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изо­ лированным от вала и друг от друга. Ротор с контактными кольцами,

с кольцами изолированным проводом, пропущенным' через отверстие, высверленное в валу. По кольцам скользят щетки, через кото­ рые обмотка ротора соединяется с реостатом. Щетки изготовляют.из угля или смеси угля с графитом. Для машин с контактными кольцами применяются также щетки с содержанием меди или бронзы. На рис. 7.7 показан пружинный щеткодержатель со щеткой и часть контактного кольца. Схема включения асинхронного двигателя с фазным ротором (с контактными кольцами) представлена на рис. 7.8.

§ 7.3. Синхронная скорость вращения и скольжения

При включении асинхронного двигателя в сеть по обмоткам стато­ ра начинает протекать ток, создающий вращающийся магнитный поток. Скорость вращения этого потока пх определяется формулой, приведен­ ной в § 7.1, и называется с и н х р о н н о й . Вслед за вращающимся магнитным потоком начинает вращаться ротор со скоростью п2< пх.

104

Отношение

называется скольжением, так как показывает, насколько скорость вра­ щения ротора отстает от вращающегося магнитного поля. В момент включения электродвигателя, когда его ротор еще не стронулся с места, п2 — 0 и s== 1- Если предположить, что ротор вращается со ско­ ростью магнитного поля, то п2 = и s = 0. Таким образом, теорети­ чески скольжение меняется от 0 до 1 и от 0 до 100%. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя, т. е. тормозного момента, скольже­ ние ротора возрастает потому, что только при этом будет увеличивать­ ся э. д. с. в обмотке ротора и ток, обусловливающий вращающий мо­ мент. В зависимости от номинальной мощности и типов электродвига­ телей при полной нагрузке скольжение обычно колеблется в пределах от 2 до 8%. У выпускаемых промышленностью электродвигателей по­ вышенного скольжения при полной нагрузке скольжение составляет

8-12% .

§ 7.4. Вращающий момент и его зависимость от скольжения

Для определения пригодности электродвигателя в качестве приво­ да необходимо знать вращающий момент этого двигателя и характер его изменения. Вращающий момент электродвигателя возникает в ре­ зультате взаимодействия токов, протекающих по обмотке ротора с вра­ щающимся магнитным полем статора. Вращаемый момент, действующий на один проводник ротора, равен произведению силы F на радиус ок­ ружности г, описываемой точкой приложения этого усилия М = Fr. Сумма вращающих моментов всех проводников ротора представляет собой вращающий момент двигателя.

Вращающий момент асинхронного электродвигателя определяется следующей формулой:

где М — вращающий момент, нм; Фд — вращающийся магнитный поток двигателя, Вб;

/2 — ток в обмотке ротора, А (индекс 2 здесь и в дальнейшем указывает, что данная величина относится к ротору);

cos ср2 — косинус угла сдвига фаз между током и э. д. с. в обмот­ ке ротора;

k — постоянная величина, зависящая от конструкции ма­ шины.

Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя про­ порционален величине вращающегося магнитного потока, пронизы­ вающего ротор машины, и произведению / 2 cos ф2, представляющему собой активную составляющую тока ротора. Магнитный поток двига­ теля является величиной постоянной для данного двигателя, величина же произведения / 2 cos ф2, так же как и оба его сомножителя / 2 и

105

cos ф2, переменна — изменяется в зависимости от величины скольже­ ния s. Чем меньше скольжение, иными словами, чем быстрее вращается ротор, тем ближе скорость его вращения к скорости вращения магнит­ ного поля, тем меньше ток в обмотке ротора / 2 и тем меньше угол сдви­ га фаз ф2 в этой обмотке (а следовательно, тем больше cos ф2).

При пуске двигателя, когда ротор еще не сдвинулся с места (ско­ рость вращения ротора п2 равна 0, а скольжение максимально: s = 1), ток в обмотке ротора / 2— максимален, угол сдвига фаз ф2 также при­ нимает самое большое значение (близок к 90°), а следовательно, cos фа в этот момент времени очень мал. В результате несмотря на большую ве­

личину тока активная его состав­ ляющая / 2 cos ф2 в начале пуска

разгоне двигателя (при его пуске) сначала до некоторого определенного значения скольжения sKвозрастают (момент принимает свое максималь­ ное значение, обозначенное Мк), а потом начинают уменьшаться. На рис. 7.9 показана кривая зависимости вращающего момента от сколь­ жения (описанный выше процесс разгона двигателя необходимо про­ следить по кривой рисунка справа налево).

По оси абсцисс отложены скольжение и скорость вращения ротора. Возрастающим значениям скольжения (от нуля до единицы) соответст­ вуют убывающие значения скорости (от синхронной до нуля). Кривая вращающего момента показывает, как ведет себя электродвигатель при изменении нагрузки. При полной нагрузке (sH равно примерно 0,03) двигатель развивает номинальный вращающий момент Мп. С уве­ личением механической нагрузки скорость двигателя уменьшается, скольжение возрастает и, как показывает кривая, возрастает вращаю­ щий момент. Эти изменения происходят до тех пор, пока новый вращаю­ щий момент не станет равным противодействующему моменту М = Мпр, обусловленному механической нагрузкой, и двигатель будет нормаль­ но работать при возросшей нагрузке. Увеличение нагрузки может быть настолько большим, что скольжение станет равным sK (критическое скольжение) и вращающий момент возрастет до максимума. При даль­

106

нейшем увеличении нагрузки скольжение еще больше возрастет и вра­ щающий момент двигателя начнет уменьшаться; двигатель не сможет преодолеть противодействия рабочей машины (М < Л4пр) и остано­ вится. Поэтому максимальный момент двигателя называется опроки­ дывающим; отрезок ОА кривой называется устойчивой частью характе­ ристики, а отрезок АВ — неустойчивой. Двигатель может работать только на устойчивой части характеристики.

При снижении нагрузки происходит обратное явление — скорость двигателя увеличивается, скольжение уменьшается и вращающий мо­ мент также уменьшается.

Для практических целей вращающий момент электродвигателя обычно определяют исходя из его мощности и скорости вращения. Для

где Р — мощность двигателя, кВт;

п— скорость вращения двигателя, об/м;

^— угловая скорость вращения двигателя, рад/с.

§7.5. Перегрузочная способность и краткость пускового момента

При выборе электродвигателя для привода какого-либо механизма необходимо знать вращающие моменты: пусковой Ма, максимальный Мм и номинальный Мв. У двигателей защищенного и обдуваемого ис­ полнения мощностью от 0,6 до 100 кВт кратность начального пускового вращающего момента должна быть не менее 1:

Заводы выпускают также электродвигатели с повышенным пусковым моментом (АОП), необходимые для привода подъемно-транспортных

машин.

Мгновенные перегрузочные свойства электродвигателя обычно характеризуются коэффициентом перегрузки по вращающему моменту, т. е. отношением максимального кратковременного допустимого пере­ грузочного момента к номинальному, которое для большинства элект­ родвигателей равно обычно Мм/Мв = 2, а для специальных электро­ двигателей в пределах Мм/Мн = 3 — 4.

В ряде случаев для привода важна перегрузочная способность не мгновенная, а на определенный, относительно короткий промежуток времени. Кратковременная перегрузочная мощность двигателя — это мощность, которую двигатель может отдавать в течение определенного, ограниченного промежутка времени (5, 10, 15, 30 мин и т. д.), после че­

107