Общие понятия

Асинхронной машиной (АМ) называется ЭМ, одна из обмоток которой, обычно трёхфазная, присоединена к электросети или специальному преобразователю, а вторая выполнена короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной, замкнутой на сопротивления. В асинхронных (несинхронных) машинах частота вращения ротора ω_r не равна частоте вращения поля ω_П. Как и во всех ЭМ поля статора и ротора неподвижны одно относительно другого, а частоты токов в роторе f₂ и статора f₁ связаны соотношением:

f₂ = f₁s, где s – скольжение, или относительная угловая скорость вращения:

В зависимости от частоты и направления вращения ротора по отношению к полю различают четыре режима работы АМ. Когда 0<ω_r<ω_п имеет место двигательный режим; при ω_п<ω_r<+∞ - генераторный режим. В этом режиме ротор вращается в ту же сторону, что и поле, но с большей частотой. В тормозном режиме ротор АМ вращается в сторону, противоположную вращению поля. Когда АМ эксплуатируется при неподвижном роторе (ω_r = 0), имеет место трансформаторный режим работы АМ.

В двигательном режиме при 0<s<1 АМ преобразует электрическую энергию в механическую. В генераторном режиме, когда 0>s>-∞, ротор АМ вращается в сторону вращения поля с частотой, большей синхронной. В тормозном режиме механическая и электрическая энергии преобразуются в теплоту. Этот режим может быть кратковременным и используется для быстрого останова. Трансформаторный режим, когда s = 1, используется для регулирования амплитуды и фазы напряжения. АМ наибольшее распространение получили как двигатели. В генераторном режиме АМ применяются редко. Для создания поля в зазоре АМ необходима реактивная мощность, которая забирается из сети или от других источников реактивной мощности. Асинхронные двигатели (АД) не могут работать с cosϕ = 1. Это существенный недостаток АМ, ограничивающий их применение в генераторном режиме.

Теория АМ может рассматриваться, как теория трансформатора, во вторичную обмотку которого вводится активное сопротивление, т.е.

Мощность, которая выделяется на этом сопротивлении, пропорциональна полезной мощности на валу машины.

Схемы замещения и векторные диаграммы строятся для приведённых значений. При построении схемы замещения число витков ротора приводится к числу витков обмотки статора.

Уравнения установившегося режима АМ получаются из дифференциальных уравнений путём замены оператора дифференцирования d/dt на jω.

Ư_s = - È₀ + İ_sZ_s (1)

Ư_r = È₀ – İ_rZ_r – İ_rR_r (2)

İ₀ = İ_s + İ_r (3)

Где Ưs, Ưr – напряжения на фазах обмотки статора и ротора (в двигателях с к.з. ротором Ưr = 0); İs, İr – токи в обмотках статора и ротора; İ₀ – ток холостого хода; È₀ = - jx₀i₀ – ЭДС холостого хода; х₀ = ωМ – индуктивное сопротивление магнитной индукции; М – взаимная индуктивность.

В эти формулы входят сопротивления обмоток статора и ротора:

Z_s = R_s + jx_s;(4)

Z_r = R_r + jx_r.(5)

R_s,R_r – активные сопротивления обмоток статора и ротора, x_s,x_r – индуктивные сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора. Активные и индуктивные сопротивления определяются расчётным или опытным путём.

Уравнениям 1,2,3,4,5 соответствует Т-образная схема замещения АМ. Определив активное сопротивление, эквивалентное потерям в стали Р₀, вставим его значение в выражение сопротивления взаимной индукции

Z₁₂ = r₁₂ + jx₁₂.(6)

Параметры схемы замещения в относительных единицах для единых серий изменяются в следующих пределах: х*₁₂ = 2 – 4; r*₁₂ = 0,08 – 0,35; r*₁=r′*₂ = 0,01 – 0,07; x*₁=x′*₂=0,08 – 0,13.

При электромеханическом преобразовании энергии в АМ, как и в других машинах, происходит преобразование энергии в теплоту. Электрические потери в роторе АМ пропорциональны скольжению

Р_э2 = Р_эмs,(7)

Где Р_эм – электромагнитная мощность – мощность в воздушном зазоре машины.

Чтобы большая часть электрической мощности преобразовывалась в механическую, АМ используются в электроприводах, где допустимо небольшое скольжение (s = 1 – 4%). При глубоком скольжении (s = 10 – 50%) АМ используются редко, т.к. в этом случае большая часть мощности, забираемой из сети, преобразуется в теплоту, что приводит к низкому КПД и увеличению габаритов АМ, в том числе и из-за трудностей, связанных с отводом теплоты от активных частей машины. Если обмотки ротора представляют собой замкнутые контуры, то при скольжении s = 1 вся мощность, поступающая на ротор, преобразуется в теплоту. При s = 0 мощность на ротор не поступает. При скольжениях, отличных от 0 и 1, электромагнитная мощность преобразуется в двигательном режиме в механическую мощность и теплоту, а в генераторном режиме – в электрическую и теплоту.

Более удобной схемой замещения АМ является Г-образная схема замещения, в которой намагничивающий контур вынесен на вывод сети. В этой схеме ток холостого хода не зависит от нагрузки и совпадает с действительным током İ₀ в Т-образной схеме замещения при идеальном холостом ходе, когда s = 0. При этом С₁ = (Z₁ + Z₁₂)/Z₁₂, a İ"₂ = - İ′₂/C₁.

Электромагнитный момент АМ определяется через электромагнитную мощность и частоту вращения поля ω_П:

М_ЭМ = Р_ЭМ/ω_П.

Так как преобразование энергии в ЭМ происходит в воздушном зазоре, где сосредоточена энергия магнитного поля, электромагнитный момент приложен к зубцам статора и ротора. Если магнитный момент проходит по зубцам, а в пазу он равен нулю, то момент к обмотке не приложен. Если дать возможность вращаться и ротору и статору, они будут вращаться в противоположные стороны, причём сумма частот вращения ротора и статора будет примерно равна частоте вращения поля ω_П.

В практических расчётах широко применяется выражение для расчёта М_ЭМ, полученное из Г-образной схемы замещения:

, т.к. Р_Э2 = Р_ЭМs = ω_ПМ_ЭМs, то

М_ЭМ = Р_Э2/ω_Пs = m₂I²₂r′₂/ω_ns = m₁I′²₂r′₂/ω_ns. Подставляя значения тока I′₂ для двухполюсной машины, получим:

М_ЭМ = m₁U²₁r′₂/sω_n[(r₁+r′₂/s)²+(x₁+x′₂)²].

Установившееся значение пускового момента соответствует s = 1, т.е.:

М_пуск. = m₁U²₁r′₂/ω_n[(r₁+r′₂)²+(x₁+x′₂)²].

Пусковой момент пропорционален квадрату напряжения и зависит от r′₂

АД просты в изготовлении и наиболее дёшевы, поэтому применение их в регулируемых электроприводах весьма перспективно. Если обратиться к формуле, связывающей частоту вращения ротора с частотой вращения поля и скольжением,

ω_r = ω_n(1 – s) = 60f₁/p(1 – s)

то из неё следует, что есть всего три варианта регулирования скорости: путём изменения частоты сети, числа пар полюсов и скольжения.

Регулирование скорости путём переключения числа полюсов ступенчатое. При жёстких механических характеристиках двигателя, когда скольжение изменяется в небольших пределах, регулирование скорости экономичное. Для изменения числа полюсов на статоре в одни и те же пазы можно уложить две отдельные обмотки с разными числами полюсов. В зависимости от необходимой частоты вращения включается та или иная обмотка.

Наиболее простым способом, обеспечивающим плавное регулирование частоты вращения АД, является изменение скольжения. Главным и основным недостатком этого способа регулирования частоты вращения ротора, является низкий КПД, т.к. потери в роторе пропорциональны скольжению.

Самым перспективным способом регулирования скорости вращения АД является частотный. Изменение частоты, подводимой к АД, осуществляется преобразователем частоты. При частотном регулировании изменяется синхронная частота вращения (частота вращения поля), а двигатель работает с небольшим скольжением. Регулирование экономичное, однако через преобразователь частоты проходит вся мощность и габариты преобразователя частоты превышает габариты двигателя. При преобразовании частоты и напряжения сети преобразователь частоты изменяет напряжение и частоту на выходе по закону U/f = const., что обеспечивает работу АД при постоянном магнитном потоке.

Однофазные АД.

Однофазный АД на статоре имеет однофазную обмотку и короткозамкнутый ротор с заливкой пазов алюминием. Конструктивно однофазный АД отличается от обычного трёхфазного выполнением обмотки статора. Однофазный АД получается из трёхфазного, когда используются одна или две его фазы.

В однофазных АД ток статора создаёт пульсирующее поле, которое может быть представлено двумя вращающимися в противоположные стороны полями. Прямое и обратное поля имеют одинаковые амплитуды и вращаются в противоположные стороны с одинаковой частотой. Эти поля создают моменты прямой (М₁₁) и обратной (М₂₂) последовательностей, а результирующий момент равен: М_ЭМ = М₁₁ – М₂₂.

Основной недостаток однофазных двигателей – отсутствие пускового момента. Чтобы при однофазном питании АД развивал пусковой момент, необходимо от пульсирующего поля в воздушном зазоре машины перейти к эллиптическому полю. Наилучшие условия при пуске будут при круговом поле, когда момент от обратного поля М₂₂ = 0.

Наибольшее распространение получили однофазные конденсаторные АД. В этих двигателях две обмотки на статоре сдвинуты одна относительно другой на электрический угол 90⁰. Чтобы обеспечить сдвиг во времени между токами в обмотках, включают конденсаторы (С_р – рабочий, С_п – пусковой).

Одной из разновидностей однофазных АД являются двигатели с экранированными полюсами или, как их ещё называют, однофазные двигатели с короткозамкнутым витком на полюсе. В таких АД статор имеет явно выраженные полюсы, на которых располагается однофазная катушечная обмотка. Каждый полюс продольным пазом разделён на две неравные части. Меньшую часть полюсного наконечника охватывает короткозамкнутый виток. Штампованный из листов электротехнической стали магнитопровод статора образует полюсные наконечники и спинку статора. Ротор АД обычный, с короткозамкнутой обмоткой.

Таблица 1.

Соотношение мощностей с установочными размерами для двигателей основного исполнения, степень защиты IP44.

(установочный размер по длине станины: S – меньший, М – средний, L – большой).

Таблица 2.

Соотношение мощностей с установочными размерами для двигателей основного исполнения, степень защиты IP23.

Можно без преувеличения сказать, что промышленное производство приводится в движение асинхронными электродвигателями. В настоящее время АД выпускаются едиными сериями. Основная серия АД 4А включает в себя АД мощностью от 0,4 до 400 кВт. Выпускаются ВВ машины в виде единой серии А4 мощностью свыше 400 кВт. Разработана единая серия АМ АИ.

Конструкции АМ делятся на два основных типа: с к.з. ротором и фазным ротором. Наибольшее распространение получили АД с к.з. ротором, которык в серии 4А выпускаются на все мощности, включая 400 кВт. Обмотки к.з. роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и к.з. кольца с размещёнными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков. К.з. роторы крупных машин и специальных АД с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к к.з. кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

АД с фазным ротором имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора.

Модификации и специализированные исполнения АД серии 4А построены на базе их основного исполнения, т.е. имеют те же принципиальные конструктивные решения основных элементов и высоты оси вращения. К электрическим модификациям АД серии 4А относятся АД с повышенным пусковым моментом, с повышенным номинальным скольжением, многоскоростные, АД с частотой питания 60 Гц. К конструктивным модификациям АД серии 4А относятся АД с фазным ротором, малошумные, со встроенными электромагнитными тормозами, встраиваемые, со встроенной температурной защитой, для моноблочных насосов. Модификации исполнений по условиям окружающей среды включают АД тропического исполнения, химическистойкие, сельскохозяйственного, влаго- и морозостойкого, пылезащищённого и рудничного исполнения. К специализированным исполнениям АД серии 4А относятся высокочастотные АД, АД привода лифтов, частотно-управляемые и АД для привода деревообрабатывающих станков.

В конце 80-х годов была разработана серия АИ, которая должна была заменить серию 4А и серию 4АМ. Привязка мощностей к установочным размерам была предусмотрена в двух вариантах: АИС – по нормам CENELEC для экспортных поставок; АИР – по нормам DIN для внутренних поставок. В 1993 – 1995гг. на ПО “Ярославский электромашиностроительный завод” была разработана серия RA (Российская асинхронная), в которой представлены АД на мощность от 0,37 до 90 кВт с высотой оси вращения от 71 до 250 мм, предназначенные для работы во всех отраслях по российским и международным стандартам (DIN, CENELEC).

АД большой мощности выпускаются несколькими сериями от 200 до 8000 кВт. Асинхронные турбодвигатели серии АТД4 выпускаются мощностью от 500 до 8000 кВт, частотой вращения 3000 об/мин, напряжением 6 кВ. Ротор короткозамкнутый. АД серий А4, АК4, ДА304 предназначены для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения. Мощность этих АД от 200 до 1000 кВт. АД вертикального исполнения серий ВАК3, ВАН выпускаются мощностью от 315 до 2500 кВт. Двигатели с фазным ротором предназначены для привода механизмов с тяжёлыми условиями пуска и механизмов, требующих регулирование частоты вращения. АД серий АОК2-560, АОК2-630, АКСБ выпускаются мощностью до 1000 кВт.