7. АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
7.1. Общие сведения
Асинхронная электрическая машина – это динамический элек-
тромагнитный аппарат, в неподвижной части которого возбуждается вращающееся магнитное поле, а подвижная часть вращается асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости магнитного поля. Ас нхронные машины относятся к классу бесколлекторных электр ческ х машин переменного тока. Второе название
асинхронных |
н – индукционные, это обусловлено электромаг- |
С |
|
нитными процесс ми в машине. Асинхронные машины отличаются |
|
высокой надежностью в ра оте, простотой конструкции и эксплуатации, а также меньшей удельной металлоемкостью на единицу мощности по сравнен ю с машинами постоянного тока [7, 12].
Ас нхронные |
о ратимы, то есть они могут работать в |
машины |
|
режиме дв гателя |
в режиме генератора. В режиме двигателя ра- |
бочие характер ст ки и эксплуатационные свойства асинхронной |
|
машины лучше, чем в режиме генератора, поэтому асинхронные ма- |
|
шины практическибвсегда используются в качестве двигателей, пре- |
|
образуя электрическую энергию в механическую, и составляют осно- |
|
ву современного высокотехнологичного электропривода. |
|
Область применения асинхронных двигателей распространяется |
|
на электроприводы бытовых и промышленных вентиляторов, ком- |
|
|
А |
прессоров и насосов; электроприводы различных грузоподъёмных |
|
машин и механизмов, включая подъёмники и башенные краны; элек- |
|
троприводы крупного горного оборудования, такого как дробилки, |
|
экскаваторы, буровые установки. Мощность промышленных асин- |
|
хронных машин варьируется от Ддолей киловатта до сотен киловатт. |
|
Асинхронные двигатели имеют высокий КПД, составляющий у ма- |
|
шин мощностью выше одного киловатта 0,8 – 0,95, но снижающийся в маломощных двигателях до 0,5.
Питание асинхронных двигателей осуществляетсяИот однофазных, двухфазных и трёхфазных источников, однако наиболее распространёнными в промышленности являются трёхфазные асинхронные двигатели, конструкция которых была разработана М.О. ДоливоДобровольским в 1889 – 1890 гг. и с тех пор не претерпела существенных изменений. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространённым электродвигателем.
149
Асинхронные двигатели различают по следующим признакам:
• по назначению (общего и узкоспециального назначения);
• диапазону мощностей (низкой, средней и высокой мощности);
• по исполнению (особые климатические, пыле- и влагозащи-
щенные, монтажные и конструктивные исполнения); АИС• по количеству фаз (одно-, двух- и трёхфазные двигатели);
• по режимам работы (периодический и постоянный режимы);
• по классу нагревостойкости изоляции и др.
На сегодняшн й день отечественной промышленностью выпусликаются ун ф ц рованные серии асинхронных электродвигателей АИР . Сер я АИР (А, 5А, 4А, АД, 7АИ, АМ) – электродвигате-
, изготавл ваемые по ГОСТ, а АИС (6А, IMM, RA) – электродвигатели, изготавл ваемые на экспорт по евростандарту DIN (CENELEC).
7.2. Устройствобтрёхфазных асинхронных двигателей
Ас нхронный дв гатель ( Д) (рис. 7.1) состоит из двух основных
частей: статора ротора, разделённых воздушным зазором [7, 12]. А Д И
Рис. 7.1. Внешний вид трёхфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором
150
Активными частями АД являются трёхфазная обмотка и магнитопровод (сердечник) статора и ротора. Все остальные элементы машины – корпус, подшипники, станина, вентиляторная система охлаждения – являются конструктивными и обеспечивают необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т.д.
татор – это неподвижная часть машины, которая состоит из станины с сердечником и трёхфазной обмотки, представляющей собой катушки медного провода. Сердечник (рис. 7.2, а) собран из тонких листов электротехн ческой стали (до 0,5 мм толщиной), изолированных
друг от друга лаком |
меющих форму колец с прорезями под обмотку. |
Элементом трёхфазной обмотки статора является катушка. Каж- |
|
дый в ток этой катушки состоит из двух пазовых частей, располагае- |
|
С |
|
мых в пазах сердечн ка статора, и лобовых частей (см. рис. 7.2, а). |
|
Один ли несколько последовательно соединённых витков образуют |
|
катушку ли секц ю |
мотки. Катушки равномерно распределены в |
пазах сердечн ка по окружности статора и пофазно сгруппированы. |
|
Расстоянпазовымие между частями одной катушки, измеренное в па- |
|
зах, называют шагом о мотки y. Если шаг обмотки y равен числу па- |
|
зов на од н полюс τ (полюсному делению), то шаг обмотки называется |
|
диаметральным, если y < τ, – укороченным. Укорочение шага обмотки |
|
способствуетбулучшению формы кривой распределения магнитной ин- |
|
дукции в воздушном зазоре машины, приближая её к синусоиде. Это |
|
позволяет снизить до авочные потери и уменьшить провалы в механи- |
|
ческой характеристике асинхронного двигателя. |
|
А |
|
а |
б |
|
Д |
|
И |
Рис. 7.2. Элементы конструкции трёхфазного асинхронного двигателя:
а – сердечник статора; б – внешний вид статора с клеммной коробкой
151
Катушки, расположенные в соседних пазах и соединённые последовательно, образуют катушечную группу. Каждая фаза обмотки состоит из катушечных групп, соединённых между собой последовательно
или параллельно таким образом, чтобы ЭДС всех катушек складыва- |
||||||||||||||||
лись друг с другом, сохраняя при этом направление тока в фазе. Способ |
||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
соединения катушечных групп в фазе между собой определяет число |
||||||||||||||||
магнитных полюсов машины (см. подр. 7.4). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Выводы |
трёхфазной обмотки |
современных |
АД, |
согласно |
|||||||||||
ГО Т 26772–85, пр нято обозначать U1, V1, W1 – для начал первой, |
||||||||||||||||
второй |
третьей фаз обмотки соответственно и U2, V2, W2 – для кон- |
|||||||||||||||
обмотки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
цов первой, второй |
третьей фаз обмотки соответственно. |
|
|
|||||||||||||
|
Начала |
концы фаз трёхфазной обмотки статора выведены на |
||||||||||||||
зажимы клеммной коро ки (рис. 7.2, б), расположенной на корпусе |
||||||||||||||||
машины. |
таторная о мотка соединяется по схеме звезда или тре- |
|||||||||||||||
угольн |
|
удобства |
соединения выводов трёх- |
|||||||||||||
(р с. 7.3, |
а, и в). Для |
|
|
|||||||||||||
фазной |
|
|
спец альными одинаковыми перемычками без их |
|||||||||||||
скрещ ван я порядок клемм концов фаз изменён [7, 12]. |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
|
в |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 ~ |
|
|
|
|
3 ~ |
|
||
|
U1 |
V1 |
W1 |
|
|
|
ДY |
|
||||||||
|
|
|
|
U1 |
V1 |
W1 |
U1 |
V1 |
W1 |
|
||||||
|
W2 |
U2 |
V2 |
|
|
|
W2 |
U2 |
V2 |
|
|
W2 |
U2 |
V2 |
|
|
а– катушек обмотки к клеммной коробке; б – соединениеИфаз обмотки звездой;
в– соединение фаз обмотки треугольникомную
если линейное напряжение 220 В, то статорная обмотка соединяется треугольником, а при линейном напряжении 380 В – звездой.
Корпус статора АД изготовляется литым из чугунного сплава или алюминия, но иногда сварным способом. Поверхность корпуса имеет продольные ребра для увеличения поверхности теплоотвода
(см. рис. 7.2, б).
152
Ротор – вращающаяся часть машины, представляющая собой вал на подшипниках с цилиндрическим сердечником, собранным из тонких пластин электротехнической стали. Пластины, изолированные друг от друга лаком или тонкой пленкой окисла, собирают в пакет и насаживают на вал. Вдоль наружного края сердечника ротора имеют-
СОбмотка короткозамкнутого ротора выполняется заливкой собранного сердечн ка алюминиевым сплавом, в результате образуются обмотки, зал тые в пазах, и короткозамыкающие кольца с вентиляционными лопатками по торцам (рис. 7.4, а). В двигателях большой мощности сердечн к со ирают сварным способом в виде медных
ся пазы, в которых располагаются витки обмотки [7].
Ротор двигателя бывает двух видов: с короткозамкнутой обмоткой и с фазной обмоткой. В первом случае двигатели называются асинхронными дв гателями с короткозамкнутым ротором, а во вт о-
ром – ас нхронными дв гателями с фазным ротором.
или алюм н евых стержней, уложенных в пазы сердечника, и скреп- |
||
витки |
|
|
ляют между |
кольцами по торцам. Такую короткозамкнутую об- |
|
собой |
б). |
|
мотку за свой внешн й вид называют «беличьим колесом» (рис. 7.4, |
||
а |
А |
|
б |
|
|
|
Д |
|
|
И |
|
|
Рис. 7.4. Короткозамкнутый ротор: |
|
|
а – внешний вид ротора; б – «беличье колесо» |
|
Фазный ротор, называемый также ротором с контактными кольцами, имеет трёхфазную обмотку, которая выполняется изолированным проводом. Три фазы обмотки ротора соединяются по схеме «звезда». Для обеспечения электрической связи цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины, используется щёточноколлекторный узел (ЩКУ) (рис. 7.5, а). Свободные концы фаз обмотки ротора соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на его валу. На кольца наложены графитовые щётки, установленные в щёткодержателях и реализующие скользящий гальванический контакт. Контакты щёток выведены на зажимы клеммной коробки.
153
К выводам ЩКУ обычно подключаются три добавочных сопро- |
|||||||
тивления Rд в виде трёхфазного реостата (рис. 7.5, б). Включение рео- |
|||||||
стата в цепь ротора даёт возможность плавно регулировать частоту |
|||||||
вращения двигателя, меняя ток обмоток ротора, а также существенно |
|||||||
улучшить условия пуска двигателя: уменьшить пусковой ток и увели- |
|||||||
чить пусковой момент. Однако наличие добавочных сопротивлений в |
|||||||
цепи ротора приводит к тепловым потерям мощности на них. С ув |
е- |
||||||
личением мощности АД с фазным ротором увеличиваются тепловые |
|||||||
потери |
соответственно габаритные размеры трёхфазных реостатов. |
||||||
а |
|
|
|
б |
|
|
|
С |
|
|
|
Кольца |
|
||
и |
|
|
|
||||
|
Вал |
|
|||||
Обмотка |
Щётки |
|
|||||
|
|
|
|||||
ротора |
Трёхфазный |
Rд |
|||||
|
бРис. 7.5. Фазный ротор: |
реостат |
|
||||
|
|
|
|
||||
а – внешний вид ЩКУ; – схема трёхфазной обмотки с трёхфазным реостатом |
|||||||
ЩКУ является одной из наименее надёжных частей коллектор- |
|||||||
ных электрических машин, |
поскольку скользящие контакты интен- |
||||||
|
|
А |
|
|
|||
сивно изнашиваются от трения. |
промышленных АД щётки явля- |
||||||
ются расходным материалом, поэтому асинхронные машины с фаз- |
|||||||
ным ротором требуют больших эксплуатационных затрат. |
|
||||||
Применение АД с фазным ротором вполне оправдано для элек- |
|||||||
троприводов подъёмных машин и механизмов (краны и подъёмники), |
|||||||
|
|
|
|
Для |
|
||
в которых двигатель вынужден запускаться с высокой механической |
|||||||
нагрузкой на валу, что в свою очередь требует высокого пускового |
|||||||
момента и соответственно тока двигателя. |
|
|
|
||||
Условные графические обозначения асинхронных машин в |
|||||||
электрических схемах регламентирует ГОСТИ2.722–68 ЕСКД «Обо- |
|||||||
значения условные графические в схемах. Машины электрические». |
|||||||
Основные параметры и размеры, технические требования, тре- |
|||||||
бования |
к |
эксплуатации |
и |
хранению |
АД |
регламентирует |
|
ГОСТ Р 51689–2000 «Машины электрические вращающиеся. Двига- |
|||||||
тели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Об- |
|||||||
щие технические требования». |
|
|
|
|
|||
154