Асинхронные двигатели

Область применения, классификация, устройство асинхронного двигателя.

 

Назначение и область  применения, классификация, конструкция, и принцип действия асинхронной  машины.

**

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

 

В ряде стран к асинхронным  машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных  машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:

Лёгкость в изготовлении.

Отсутствие механического  контакта со статической частью машины.

 

Недостатки:

Небольшой пусковой момент.

Значительный пусковой ток.

**

История

 

Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесла, который в Будапеште весной 1882 г. решил проблему создания вращающегося магнитного поля при помощи неподвижной многофазной обмотки переменного тока, а в 1884 г. в Страсбурге продемонстрировал действующую модель своего двигателя.

**

Вклад в развитие асинхронных  двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине

Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин.

Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

**

Уже в 1889 г. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», а в 1890 г. — патенты в Англии и Германии на трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. Данные изобретения открыли эру массового индустриального применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространенным электродвигателем.

**

Устройство асинхронного двигателя.

 

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Сердечник 1 статора (изо) набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с впадинами (пазами), изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине 3 двигателя.

К станине  прикрепляют также боковые щиты с помещенными на них подшипниками, на которые опирается вал ротора. Станину устанавливают на фундаменте.

 

Устройство статора асинхронного двигателя: 
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - станина, 4 - щиток

 

В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки 2, которые соединяют между собой так, что образуется трехфазная система. На щитке 4 машины имеется шесть зажимов, к которым присоединяются начала и концы обмоток каждой фазы.

Для подключения  обмоток статора к трехфазной сети они могут быть соединены  звездой или треугольником, что  дает возможность включать двигатель  в сеть с двумя различными линейными  напряжениями.

**

Например, двигатель  может работать от сети с напряжением 220 и 127 В.

На щитке  машины указаны оба напряжения сети, на которые рассчитан двигатель, т. е. 220/127 В или 380/220 В.

Для более  низких напряжений, указанных на щитке, обмотка статора соединяется  треугольником, для более высоких - звездой.

Соединение зажимов на щитке двигателя 
при включении обмотки статора: 
а - треугольником, б - звездой

 

При соединении обмотки статора треугольником на щитке машины верхние зажимы объединяют перемычками с нижними (изо), а каждую пару соединенных вместе зажимов подключают к линейным проводам трехфазной сети. Для включения звездой три нижних зажима на щитке соединяют перемычками в общую точку, а верхние подключают к линейным проводам трехфазной сети.

Сердечник 1 ротора (изо, а) также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи.  
Пластины штампуют с впадинами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которые укладывают проводники 2 обмотки ротора.

В зависимости  от типа обмотки асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамкнутым роторами.

**

Короткозамкнутый ротор

 

Короткозамкнутая  обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса (изо, б). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами (изо, а).

Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя:  
а - устройство, б - обмотка; 1 - сердечник, 2 - проводники, 3 - медные кольца

 

Часто короткозамкнутую обмотку ротора изготавливают из алюминия. Алюминий в горячем состоянии  заливают в пазы ротора под давлением. Такая обмотка всегда замкнута накоротко  и включение сопротивлений в  нее невозможно.

**

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором  имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки».

Поэтому их применяют  в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты.

Из достоинств, следует отметить легкость в изготовлении, и отсутствие электрического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда вращается в воздушном зазоре только полый цилиндр из алюминия, можно достичь малой инерционности двигателя.

**

Фазный ротор

Фазная обмотка  ротора выполнена подобно статорной, т. е. проводники соответствующим образом  соединены между собой, образуя  трехфазную систему.

Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы друг от друга и от вала и вращаются вместе с ротором. 
При вращении колец поверхности их скользят по угольным или медным щеткам, неподвижно укрепленным над кольцами. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, при помощи указанных щеток.

 

Двигатели с замкнутым ротором  проще и надежнее в эксплуатации, значительно дешевле, чем двигатели с фазным ротором. Однако двигатели с фазным ротором, как мы увидим ниже, обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

В настоящее  время асинхронные двигатели  выполняют преимущественно с  короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в  специальных случаях используют фазную обмотку ротора.

В России производят асинхронные двигатели мощностью от нескольких десятков ватт до 15 000 кВт при напряжениях обмотки статора до 6 кВ.  
Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого оказывает существеннее влияние на рабочие свойства двигателя.

**

Наряду с  важными положительными качествами - простотой конструкции и обслуживания, малой стоимостью - асинхронный двигатель  имеет и некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффициент мощности (cosφ). 
У асинхронного двигателя cosφ при полной нагрузке может достигать значений 0,85—0,9; при недогрузках двигателя его cosφ резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3.

Низкий коэффициент  мощности асинхронного двигателя объясняется  большим потреблением реактивной мощности, которая необходима для возбуждения  магнитного поля. Магнитный поток  в асинхронном двигателе встречает  на своем пути воздушный зазор  между статором и ротором, который  в большой степени увеличивает  магнитное сопротивление, а следовательно, и потребляемую двигателем реактивную мощность.

**

В целях повышения  коэффициента мощности асинхронных  двигателей воздушный зазор стремятся  делать возможно меньшим, доводя его у малых двигателей (порядка 2—5 кВт) до 0,3 мм. В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится увеличивать по конструктивным соображениям, но все же он не превышает 2—2,5 мм.

 

**

Пуск в ход асинхронных двигателей.

 

При включении асинхронного двигателя в сеть переменного тока по обмоткам его статора и ротора будут проходить токи, в несколько раз больше номинальных. Это объясняется тем, что при неподвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с большой частотой, равной частоте вращения магнитного поля в пространстве, и индуктирует в этой обмотке большую эдс. Эта эдс создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего тока и в обмотке статора.

 

При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению эдс и тока в обмотке ротора. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока в обмотке статора.

 

Большой пусковой ток нежелателен как для двигателя, так и для источника, от которого двигатель получает энергию. При частых пусках большой ток приводит к резкому повышению температуры обмоток двигателя, что может вызвать преждевременное старение их изоляции.

В сети при  больших токах понижается напряжение, которое оказывает влияние на работу других приемников энергии, включенных в эту же сеть.

 

Поэтому прямой пуск двигателя непосредственным включением его в сеть допускается только в том случае, когда мощность двигателя, намного меньше мощности источника  энергии, питающего сеть.

Схема включения пускового реостата  
в цепь фазного ротора асинхронного двигателя

 

Если мощность двигателя соизмерима с мощностью  источника энергии, то необходимо уменьшить  ток, потребляемый этим двигателем при  пуске в ход. 
Двигатели с фазным ротором обладают очень хорошими пусковыми свойствами.

Для уменьшения пускового тока обмотку ротора замыкают на активное сопротивление, называемое пусковым реостатом (изо).

 

При включении  такого сопротивления в цепь обмотки  ротора ток в ней уменьшается, а, следовательно, уменьшаются токи как в обмотке статора, так и потребляемый двигателем из сети. При этом увеличится активная составляющая тока ротора и, следовательно, вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске в ход.

 

Пусковые реостаты имеют несколько контактов, поэтому  можно постепенно уменьшать сопротивление, введенное в цепь обмотки ротора. После достижения ротором нормальной частоты вращения реостат полностью  выводится, т. е. обмотку ротора замыкают накоротко.

 

**

Часто двигатель  пускают в ход посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник (изо).

 

Схема пуска короткозамкнутого асинхронного двигателя с переключением обмотки статора со звезды на треугольник

 

В момент пуска  обмотку статора соединяют звездой, а после того как двигатель  разовьет частоту вращения, близкую  к нормальной, ее переключают треугольником.

При таком  способе пуска двигателя в  ход пусковой ток в сети уменьшается  в три раза по сравнению с пусковым током, который потреблялся бы двигателем, если бы при пуске обмотка статора  была соединена треугольником.

Этот способ пуска можно применять для  двигателя, обмотка статора которого при питании от сети данного напряжения должна быть соединена треугольником.

 

**

Двигатели с улучшенными пусковыми  свойствами. 

Простота конструкции  и надежность в эксплуатации двигателей с короткозамкнутым ротором являются их существенным достоинством, благодаря чему они получили широкое применение в промышленности.

Однако эти  двигатели имеют плохие пусковые характеристики.

Значительное  улучшение пусковых характеристик  асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.

 

Ротор с двойной  короткозамкнутой обмоткой был впервые  предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (изо, а).

Схема устройства ротора:  
а - с двойной короткозамкнутой обмоткой, б - с глубокими пазами

 

Число пазов  верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или различно. Наружная обмотка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а внутренняя обмотка Б - из стержней большого поперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А оказывается значительно большим, чем активное сопротивление обмотки Б (R_A>>R_B).

Вследствие  того что стержни внутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью, индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем индуктивное сопротивление внешней обмотки (Х_Б>>Х_А).

Принцип действия этого двигателя состоит в  следующем. В момент включения двигателя  в сеть ротор неподвижен и частота  тока в роторе равна частоте тока в сети f₂ = f₁.