8. Асинхронные машины

Асинхронные двигатели − наиболее распространенные электрические машины. Они составляют около 90% от всего парка электродвигателей, которые находятся в эксплуатации. Основная область применения асинхронных двигателей − электропривод механизмов, которые не требуют плавного регулирования скорости. К таким можно отнести вентиляторы, компрессоры, транспортеры, токарные и сверлильные станки, штамповочные прессы, лифты и прочие.

Двигатель имеет чугунную станину с ребрами, в расточки которых запрессован изготовленный из листов электротехнической стали цилиндрический статор с выштампованными в нем пазами. В пазы статора закладывают трехфазную обмотку. Совместно с пакетом стали статора с помощью подшипниковых узлов внутри статора размещен ротор, который представляет собой набранный из листов электротехнической стали цилиндр, насаженный на вал. В теле ротора выштампованы пазы, в которых размещены медные или алюминиевые стержни. Выступающие по торцам ротора концы стержней соединены между собою соответственно медными или алюминиевыми кольцами. Таким образом получается короткозамкнутая обмотка типа "беличьей клетки". Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором − наиболее дешевые и надежные в эксплуатации электродвигатели.

Другой разновидностью асинхронных двигателей является двигатели с фазным ротором. В пазах ротора такого двигателя укладывают такую же трехфазную обмотку, как и в статоре. Эти фазные обмотки соединяют звездой и выводы фаз звезды подсоединяют к трем латунным кольцам, насаженным на изоляционные втулки, напрессованные на вал. Через щетки, которые скользят по кольцам, фазы подвижной обмотки ротора выводят на неподвижные клеммы.

Принцип работы любого асинхронного двигателя состоит в создании его обмоткой статора вращающегося магнитного поля. В трехфазных двигателях три фазные обмотки, расположенные в пазах статора, смещенные между собою в пространстве на 120˚. При подаче на эти обмотки трехфазной системы напряжений они образовывают вращающееся магнитное поле с угловой скоростью вращения , и, соответственно, количество оборотов за минуту , где р − количество пар полюсов обмотки статора. Вращающееся магнитное поле индуктирует в проводниках ротора ЭДС, под действием которых в проводниках текут токи, которые взаимодействуют с магнитным вращающимся полем и создают силы, приложенные к проводникам ротора в направлении вращения поля. Угловая скорость ω ротора, который вращается под действием такого электромагнитного момента, всегда меньше скорости вращающегося магнитного поля ω₀. Ротор двигателя вращается асинхронно по отношению к полю статора со скольжением .

Принципиальная схема фазы трехфазного двигателя подобна принципиальной схеме трансформатора, но вращение вторичной обмотки, которой является обмотка ротора двигателя, учитывается введением в роторную цепь сопротивления вместо сопротивления R′₂.

Зависимость электромагнитного момента М асинхронного двигателя от скольжения при заданном действующем значении напряжения питания U_1Ф и неизменных сопротивлениях настоящей схемы описывает уравнение

;

из которой видно, что электромагнитный момент М асинхронного двигателя при заданном значении скольжения s является пропорциональным напряжению сети в квадрате. Анализ приведенной зависимости показывает, что критическое скольжение s_к, которое отвечает максимальному моменту машины М_к, прямо пропорционально активному сопротивлению в цепи ротора, а максимальный момент асинхронного двигателя является пропорциональным квадрату напряжения и не зависит от активного сопротивления цепи ротора.

В современных асинхронных двигателей средней мощности пусковой ток обычно равняется , что усложняет работу аппаратов коммутации и защиты. В отдельных случаях для уменьшения пускового тока асинхронного двигателя применяют уменьшение в момент пуска напряжения на его статорной обмотке с помощью специального автотрансформатора, или включением последовательно со статорной обмоткой дополнительных индуктивных или активных сопротивлений. Проще всего можно уменьшить напряжение на двигателе в момент пуска путем переключения его обмотки со звезды на треугольник, что дает возможность уменьшить пусковой ток двигателя втрое, но при этом в три раза уменьшается и пусковой момент двигателя, поэтому такие запуски можно осуществить лишь при отсутствии нагрузки на валу.

Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляют с помощью трехфазного пускового реостата, который ограничивает пусковой ток и увеличивает пусковой момент асинхронного двигателя.

Потребляемая двигателем из сети активная мощность равняется . Часть мощности Р₁ расходуется на электрические потери, в обмотке статора и на магнитные потери в стали статора ∆Р_С1. Остаток мощности передается из статорной цепи в роторную электромагнитным путем и называется электромагнитной мощностью . Часть электромагнитной мощности расходуется на электрические потери в обмотке ротора, которые равняются , и на механические потери ∆Р_МЕХ. Полезная мощность на валу Р₂ равняется потребляемой мощности с вычитанием всех потерь. КПД двигателя определяют соотношением . Для двигателей мощностью 5÷55 кВт КПД обычно находится в границах 85÷92%.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости КПД η, потребляемого им тока І₁, потребляемой активной мощности Р₁, угловой скорости ротора ω, или его частотой вращения п, скольжения s, коэффициента мощности cosφ, электромагнитного момента М или момента на валу М₂ от мощности на валу P₂ при U₁ = const, f₁ = const и изменению мощности Р₂ в диапазоне 1,2 . При холостом ходе ток двигателя , а . Потребляемая двигателем при холостом ходе реактивная мощность составляет около 30% номинальной потребляемой мощности. При номинальной нагрузке обычно , так что и реактивная мощность асинхронного двигателя с номинальной нагрузкой на валу составляет (40÷60)% от номинальной потребляемой мощности. Асинхронные двигатели являются основными потребителями реактивной мощности в электрических сетях и причиной снижения их cos φ.

Механическую характеристику асинхронного двигателя как зависимость угловой скорости ротора ω от электромагнитного момента М, ω=ω(М), можно получить из приведенного выше выражения, которое определяет зависимость М=М(s), учтя, что ω=ω₀(1−s). После некоторых преобразований зависимость М=М(s) можно превратить в так называемую формулу Клосса, которая разрешает построить зависимость М=M(s) без использования значений параметров настоящей схемы.

Механическая характеристика асинхронного двигателя имеет четыре характерные точки: идеального холостого хода с координатами ω=ω₀, М=0; номинального режима с координатами ω=ω_Н, М=М_Н; критическую с координатами ω=ω_К, М=М_К; пусковую с координатами ω=0, М=М_П. Для двигателей серии 4А средней мощности обычно ω_Н = 0,987÷0,97ω₀, ω_К = 0,8÷0,9ω₀, М_К = 2÷2,5М_Н и М_П = 1÷2М_Н.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором возможно реостатное регулирование угловой скорости изменением сопротивления трехфазного реостата в роторной цепи.

Регулирование скорости вращение изменением числа пар полюсов двигателя применяют в специальных многоскоростных двигателях, которые выпускает промышленность. Соответственно числа пар полюсов изменяется угловая скорость вращающегося магнитного поля, и соответственно с ней изменяется и скорость ротора.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре возможно лишь при применении динамической системы автоматического регулирования с обратной связью по скорости двигателя. Такой способ регулирования скорости не нашел распространения для асинхронных двигателей с коротко замкнутым ротором.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя замены частоты с одновременным регулированием напряжения находит все более широкое применение в регулированном электроприводе. Преобразование частоты осуществляется с помощью специального тиристорного (или транзисторного) преобразователя, который одновременно позволяет регулировать и напряжение питания. В связи с усовершенствованием в последнее время таких тиристорных преобразователей частоты, повышением их надежности и уменьшением стоимости частотные электроприводы на базе асинхронных короткозамкнутым двигателей, которые являются простейшими, надежными и дешевыми среди электродвигателей, начинают успешно конкурировать с электроприводами на базе двигателей постоянного тока.

Преимуществами асинхронных двигателей является: простота конструкции и надежность в эксплуатации; отсутствие скользящих контактов в двигателях с коротко замкнутым ротором; относительная дешевизна. Асинхронные двигатели средней и большой мощности обычно в 3÷5 раз дешевле двигателей постоянного тока тех же мощностей и имеют приблизительно в два раза меньшую массу.

Недостатками асинхронных двигателей является: чувствительность вращающего момента к снижению напряжения сети; большая потребляемая реактивная мощность как при холостом ходе, так и в номинальном режиме; относительно большие пусковые токи, которые усложняют работу аппаратуры защиты и коммутации двигателей; ограниченные возможности регулирования частоты вращения в связи с временным отсутствием надежных и дешевых частотных полупроводниковых преобразователей.

Асинхронные двухфазные двигатели имеют на статоре две фазные обмотки, смещенные в пространстве на 90˚. Для создания вращающегося магнитного поля следует обеспечить протекание в этих обмотках сдвинутых по фазе на 90˚ токов такой величины, чтобы магнитодвижущие силы обоих обмоток были одинаковые. Поскольку практически все электроэнергетические сети являются трехфазными, для питания двухфазных двигателей используют однофазное напряжение, а для сдвига по фазе напряжения на одной из рабочих обмоток последовательно с нею включают резистор, индуктивность или конденсатор.

Однофазные двигатели имеют одну рабочую обмотку, которая постоянно включена в сеть во время работы двигателя, и вспомогательную пусковую обмотку, в которой ток течет лишь во время пуска. Последовательно с пусковой обмоткой включают фазосдвигающий конденсатор. Кратковременность использования пусковой обмотки разрешает выполнить ее из провода маленького сечения, что уменьшает затраты меди и удешевляет двигатель.