2.1. Назначение и области применения асинхронных машин

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой , а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота является функцией угловой скорости ротора, которая, в свою очередь, зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой (типа «беличья клетка») или фазной (присоединяется к контактным кольцам).

Рис. 2.1. Внешний вид асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

К номинальным данным асинхронных двигателей, которые указываются в заводской табличке машины на ее корпусе, относятся: механическая мощность, развиваемая двигателем, ;частота сети ;линейное напряжение статора ;линейный ток статора ;частота вращения ротора ;коэффициент мощности ;коэффициент полезного действия . Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду илитреугольник, то указываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Y/Δ) в виде дроби и. Для двигателя с контактными кольцами приводятся напряжение на разомкнутых кольцах принеподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в широких пределах. Номинальная мощность – от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах – до 100000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2–5 % меньше синхронной; в микродвигателях – на 5–20 %). Номинальное напряжение – от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65–0,95, в двигателях малой мощности 0,2–0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей

также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей. При мощности более 1 кВт он составляет 0,7–0,9; вдвигателях малой мощности 0,3–0,7.

2.2. Устройство асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку.

Статор машины состоит из магнитопровода, трехфазной разноименнополюсной обмотки, выводные концы которой с помощью выводной коробки присоединяются к сети переменного тока, и станины.

Активными элементами статора, предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод и обмотка. Станина выполняет только конструктивные функции, фиксируя активные части в определенном положении.

Магнитопровод набирается из цельных кольцеобразных пластин электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Пластины штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали со стандартизованными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. На внутренней стороне пластин статора вырублены пазы, имеющие, как правило, полузакрытую форму для уменьшения пульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостью магнитопровода.

В пазы магнитопровода укладываются проводники обмотки: шаблонные катушечные или стержневые (в крупных машинах) и многовитковые всыпные (в машинах меньшей мощности). Многовитковые катушки наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения; каждый проводник катушки «всыпается» в паз по отдельности.

Зазор между магнитопроводами ротора и статора при мощности машины более 0,5 кВт обычно не превышает 0,3–1,0 мм (в микромашинах 0,02–0,3 мм).

По конструкции обмотки ротора асинхронные двигатели разделяются на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор (типа «беличья клетка») состоит из магнитопровода, в пазах которого размещается неизолированная многофазная короткозамкнутая обмотка, пристроенных к ней вентиляционных лопастей, вала и вентиляторов. Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод и обмотка; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды.

Магнитопровод ротора набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на наружной стороне которых вырублены пазы. Пластины магнитопровода не покрыты изоляционным лаком. Они имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла, которая является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания. Обмотка ротора помимо основной функции служит также для стягивания пластин магнитопровода, что позволяет обойтись без специальных прессующих деталей.

Вал ротора опирается на подшипники качения, которые, в свою очередь, при помощи подшипниковых щитов и крышек подшипников сопрягаются со станиной.

Фазный ротор состоит из вала, на котором укреплены в запрессованном состоянии пакеты магнитопровода, набранные из кольцевых пластин. В полузакрытых пазах магнитопровода ротора размещается трехфазная обмотка, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой посредством электрических кабелей, проведенных через отверстие в валу, присоединены к контактным кольцам.

Электрическое соединение вращающейся обмотки ротора с внешними (неподвижными) электрическими цепями производится при помощи контактных колец, на которые выведены обмотки, и щеточного устройства, связанного с неподвижными электрическими цепями. Контактные кольца выполняются как отдельный узел машины. К кольцам плотно прижимаются щетки, электрически соединенные с токоподводящими шинами щеточной траверсы, которые соединяются с пусковым или регулировочным реостатом.

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. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление .

Схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором показаны на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (слева) и фазным (справа) ротором.