Глава 3
АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Асинхронной машиной называют машину переменного тока, скорость вращения ротора которой зависит от нагрузки при данной частоте в сети. Основное назначение асинхронных машин — работать в режиме двигателя, преобразовывать электроэнергию переменного тока в механическую энергию вращения. В редких случаях, главным образом на испытательных установках, асинхронная машина работает в режиме генератора. В специальных случаях асинхронные машины работают как индукционные регуляторы и фазорегуляторы.
Асинхронные двигатели — основные в промышленности, на строительстве, в сельском хозяйстве. Повсеместное распространение асинхронных двигателей объясняется их преимуществами: простота и надежность конструкции; простота эксплуатации; малая стоимость и высокий к. п. д.
Существенные недостатки следующие. Двигатели потребляют относительно большую реактивную мощность, что приводит к ухудшению коэффициента мощности (cos φ) сети; имеют плохие регулировочные свойства. Регулировать скорости вращения асинхронных двигателей — более сложная задача, чем регулирование двигателей постоянного тока.
Конструкция асинхронных двигателей
По устройству двигатель очень прост. Он состоит из неподвижного статора, вращающегося ротора и двух подшипниковых щитов. На рисунке 16 показан общий вид асинхронного двигателя и на рисунке 17 — асинхронный двигатель в разобранном виде.
Статор (рис. 18) состоит из станины, сердечника и обмотки. Станину — конструктивную часть — изготовляют из литой стали, чугуна или алюминия.
Сердечник статора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм; 0,5 мм, изолированных лаком. На внутренней поверхности сердечника выштампованы пазы для укладки статорной (якорной) обмотки.
На статоре укреплена трехфазная обмотка однослойная, главным образом в двигателях малой мощности или двухслойная в двигателях большой мощности. Шесть выводов: три начала — с1, с2; с3 и три конца с1, с5; с8 — выводятся в коробку выводов или на клеммный щиток. Шесть выводных концов двигателя позволяют соединять обмотку по схеме звезда или треугольник.
Внутренняя поверхность статора отделена от ротора воздушным зазором. Этот зазор в асинхронных двигателях сравнительно мал. Абсолютное значение его увеличивается с ростом номинальной мощности двигателя; в быстроходных он больше, чем в тихоходных, при одной и той же мощности. Величина воздушного зазора оказывает сильное влияние на характеристики двигателя, в частности на значения тока холостого хода и cos φ.
Рис. 16 Общий вид асинхронного двигателя
Ротор асинхронного двигателя состоит из вала, сердечника и обмотки.
Сердечник ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внешней поверхности ротора пазы для укладки обмотки. По виду применяемой обмотки на роторе различают короткозамкнутые и фазные асинхронные двигатели.
Рис. 17. Разобранный асинхронный двигатель:
а — статор; б — ротор; в — подшипниковые щиты; г — вентиляционные крылья; д — вентиляционные окна, е — коробка выводов.
Обмотка ротора короткозамкнутого двигателя представляет характерную клетку, показанную на рисунке 19. В зависимости от вида короткозамкнутой обмотки различают роторы с обычной клеткой, с двойной клеткой и с глубоким пазом (рис. 20).
В двигателях с обычной клеткой (рис. 20, а) роторная обмотка состоит из медных или алюминиевых стержней, уложенных в пазах овальной, реже круглой формы и замкнутых по торцам кольцами. Обмотку ротора двигателей до 100 кВт изготавливают, заливая пазы алюминием (рис. 21), и одновременно отливают короткозамыкающие кольца и вентиляционные крылья.
Рис. 18. Статор асинхронного двигателя.
Рис. 19. Короткозамкнутая клетка роторной обмотки.
В двигателях с двойной клеткой роторная обмотка (рис. 20, б) состоит из двух независимых клеток, их изготовляют из меди, латуни или бронзы.
Ротор (рис. 20, в) имеет глубокие пазы прямоугольной или трапецеидальной формы. В такие пазы забивают медные стержни соответствующего сечения и профиля. Стержни клетки и медные кольца припаивают друг к другу тугоплавким припоем.
Асинхронные двигатели с фазным ротором сложнее по своей конструкции, чем короткозамкнутые двигатели. Внешний вид фазного двигателя показан на рисунке 22. На нем справа кожух закрывает контактные кольца и щетки. На рисунке 23 показан разрез фазного двигателя.
На внешней поверхности ротора выштампованы закрытые или полузакрытые пазы, в них укладывают трехфазную обмотку, аналогичную статорной обмотке: однослойную или двухслойную. Фазную обмотку ротора соединяют звездой, реже треугольником. Начала фаз роторной обмотки присоединяют к трем контактным кольцам. Контактные кольца из меди, бронзы, реже из стали. Кольца изолированы друг от друга и вала. Ротор фазного двигателя показан на рисунке 24, на нем видна однослойная двухплоскостная обмотка.
С помощью контактных колец и щеток вращающаяся обмотка ротора соединяется с пусковым или регулировочным реостатом.
В некоторых двигателях для уменьшения износа колец и щеток и уменьшения потерь на трение применяют щеткоподъемные механизмы. С помощью этого механизма кольца замыкаются накоротко и поднимают щетки.
Рис. 20. Роторы короткозамкнутых двигателей: а — с обычной клеткой; б — с двойной клеткой; в — с глубоким пазом.
Рис. 21 Короткозамкнутый ротор с алюминиевой литой обмоткой.
Рис. 22. Внешний вид фазного асинхронного двигателя.
Рис. 23. Продольный разрез фазного асинхронного двигателя:
1 — вал; 2 — сердечник ротора; 8 — обмотка статора; 4 — корпус статора; 5 — сердечник статора; 6 — подшипниковый щит, 7 — контактные кольца; 8 — контактные щетки; 9 — коробка выводов
Рис. 24, Ротор фазного асинхронного двигателя.
В фазных двигателях напряжение роторной обмотки в несколько раз меньше напряжения статорной, поэтому ток ротора получается значительным. По этой причине в роторах применяют двухслойные стержневые петлевые или волновые обмотки.
В случае стержневых обмоток в паз ротора укладывают два стержня, лобовые части их соединяют так, чтобы получить три одинаковых фазы. На рисунке 25 вычерчена стержневая двухслойная волновая обмотка.
В подшипниковых щитах крепят подшипники шариковые, реже подшипники скольжения. Подшипниковые щиты изготовляют из того же материала, как и станину.
Типы асинхронных двигателей разнообразны. Теперь наиболее широко распространены двигатели серии А, мощностью от 0,6 до 125 кВт.
В обозначении типа двигателя первая буква указывает серию, вторая — исполнение. После букв следуют цифры, первая из них показывает габариты (условный диаметр сердечника статора), вторая — условную длину сердечника и последняя — число полюсов.
Рис. 25. Развернутая схема трехфазной стержневой двухслойной волновой обмотки:
z = 24; 2р = 4; у — 6.
Например, А041-4 означает, что данный асинхронный (обдуваемый) двигатель с короткозамкнутым ротором единой серии А закрытого обдуваемого исполнения в чугунном корпусе четвертого габарита первой длины, с четырьмя полюсами (синхронных 1500 об/мин )
Теперь единую серию А заменяют новой А2 и А02, то есть в защищенном и закрытом обдуваемом исполнениях. Вес двигателей в среднем уменьшен на 25% по сравнению с двигателями серии А, расход электротехнической стали и меди уменьшен на 10 и 12% в результате применения новых изоляционных и более легких конструктивных материалов. Двигатели новой серии с более высокими энергетическими показателями (к. п. д. cos φ).
Мощность двигателя — это механическая мощность на валу. Из сети двигатель потребляет большую мощность на величину потерь. В паспорте двигателя указывают номинальные линейные токи, то есть токи, которые подтекают к двигателю при номинальном режиме по схеме соединения звездой или треугольником. При номинальном режиме пс фазам двигателя, независимо от схемы соединения их, протекает один и тот же ток.
Электрические величины, указанные е паспорте трехфазного асинхронного двигателя, связаны равенством
где Iн — номинальный ток двигателя:
РH — номинальная мощность двигателя;
Un — номинальное напряжение двигателя; η и cos φ — номинальные к. п. д. и коэффициент мощности
двигателя.
