2. Асинхронные машины

2.1. Роль и значение асинхронных машин

Асинхронные машины используются в основном как двигатели. В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они потребляют около 50 % электрической энергии, вырабатываемой электрическими станциями страны. Потребность в асинхронных двигателях непрерывно растет. Такое широкое распространение асинхронные двигатели получили из-за своей конструктивной простоты, низкой стоимости, высокой эксплуатационной надежности. Широк диапазон мощностей, на которые выпускаются эти двигатели, – от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Они имеют относительно высокий КПД: при мощностях более 1 кВт – 0,7 – 0,95 и только в микродвигателях он снижается до 0,2 – 0,65.

Наряду с большими достоинствами асинхронные двигатели имеют и некоторые недостатки. К их числу следует отнести потребление из сети реактивного тока, необходимого для создания магнитного потока, в результате чего асинхронные двигатели работают с cosφ ≠ l. В двигателях мощностью более 1 кВт cos φ = (0,7 – 0,9), а в микродвигателях cos φ = (0,3 – 0,7). Кроме того, по возможностям регулировать частоту вращения они уступают двигателям постоянного тока.

Асинхронные двигатели изготовляются для работы от однофазных, двухфазных, но главным образом для трехфазных сетей переменного тока.

Появление трехфазных асинхронных двигателей связано с именем М.О. Доливо-Добровольского. Эти двигатели были изобретены им в 1889 г. Предложенная М.О. Доливо-Добровольским конструкция асинхронных двигателей в основных чертах сохранилась до наших дней.

2.2. Конструкция асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели состоят из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора.

Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 – 0,35 мм. Для сердечников асинхронных двигателей применяются холоднокатаные изотропные электротехнические стали марок 2013, 2312, 2411 и др. Перед сборкой сердечника листы изолируют друг от друга либо оксидированием, либо лакировкой. Используют также сталь, выпускаемую с электроизоляционным покрытием.

На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы и в них укла­дывают обмотку. Чаще всего эта обмотка выполняется трехфазной. Сердечник статора закрепляют в корпусе.

Роторы асинхронных двигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой и фазной обмотками. Первый вид двигателей называют асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а второй – асинхронными двигателями с фазным ротором или асинхронными двигателями с контактными кольцами. Наибольшее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором .

Сердечник (пакет) ротора собирают из листов электротехнической стали, которые штампуют одновременно с листами статора. В двигателях с короткозамкнутым ротором применяют полузакрытые или закрытые пазы, имеющие овальную, прямоугольную или фигурную форму. Ширину открытия пазов выбирают равной примерно 1 мм. Закрытые пазы перекрываются сверху мостиком толщиной 0,3 – 0,5 мм. Обмотку ротора выполняют путем заливки в пазы под давлением расплавленного алюми­ниевого сплава. Одновременно с обоих торцов ротора отливают алюминиевые кольца, замыкающие стержни пазов. Для усиления охлаждения двигателя вместе с кольцами отливают примыкающие к ним вентиляционные лопатки. Иногда (главным образом в мощных машинах) в пазы вставляют медные стержни, которые у торцов ротора сваривают с медными короткозамыкающими кольцами .

Рис. 10. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: 1 – станина; 2 – пакет статора; 3 – обмотка статора; 4 – пакет ротора; 5 – обмотка ротора; 6 – паз статора; 7 – паз ротора.

а

б

Рис. 11. Короткозамкнутый ротор с литой (а) и сварной (б) обмотками

Рис. 12. Обмотка ротора асинхронного двигателя

в виде беличьей клетки

Таким образом, короткозамкнутая обмотка ротора представляет собой клетку наподобие беличьей. В электрическом отношении она является многофазной обмоткой с числом фаз, равным числу стержней (пазов).

У асинхронных двигателей с фазным ротором в пазах укладывается трехфазная обмотка аналогично обмотке статора. Обмотку соединяют звездой, а три ее вывода подсоединяют к контактным кольцам, расположенным на валу машины. Кольца изолированы друг от друга и от вала машины, и к ним через неподвижные щетки подсоединяют пусковой или регулировочный реостат. Для фазных роторов применяют полузакрытые пазы овальной или прямоугольной формы.

Вал ротора вращается в подшипниках, которые укреплены в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. В асинхронных машинах главным образом применяются подшипники качения и только в машинах большой мощности иногда используются подшипники скольжения.

Подшипниковые щиты прикрепляют болтами к корпусу статора. В корпус запрессовывают сердечник статора.

В асинхронных двигателях зазор между статором и ротором выбирают по возможности небольшим, но таким, чтобы ротор при вращении не задевал о статор. В машинах небольшой и средней мощности зазор составляет доли миллиметра, а у более мощных машин – миллиметры. С уменьшением зазора снижается потребляемый из сети намагничивающий ток, что способствует повышению cos φ двигателя.