Асинхронные электродвигатели

Самый распространенный тип электромеханических преобразователей (ЭМП), используемый в двигательном режиме.

Асинхронные электродвигатели (АД) составляют:

- по доле от числа всех выпущенных электрических машин – не менее 80%;

- по доле от установленной мощности всех выпущенных электрических машин – 55-60%.

Мощность серийно производимых асинхронных двигателей: от нескольких десятков ватт до 15000 киловатт при напряжениях обмотки статора до 6 кВ [41].

По прогнозам ученых АД останется главным в электроприводе, по крайней мере, до середины XXI века [36].

В иностранной литературе асинхронные машины называют также индукционными машинами, вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора.

Два основных исполнения АД: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

 

АД с короткозамкнутым ротором.

Самый распространенный тип конструкции АД (рис.14.1).

1,11 – подшипник, 2 – вал ротора, 3,9 – подшипниковый щит, 4 – Ротор, 5 – Статор, 6 – корпус, 7 – обмотка, 8 – вентилятор, 10 – лапы, 12 – колпак, 13 – ребра (для увеличения поверхности с целью улучшения отвода тепла)

 

Рис. 14.1. АД с короткозамкнутым ротором [21]

в)

Рис. 14.2. Короткозамкнутая обмотка АД [12] и клетка для белки [13]

Короткозамкнутая обмотка (рис.14.2 а) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает "беличье колесо" (рис.14.2 в), поэтому ее часто называют " обмотка в виде "беличьей клетки ".

 

Основные достоинства:

- бесконтактность;

- простота и технологичность конструкции;

- невысокая стоимость;

- высокая надежность.

 

Основные недостатки

а) Недостатки, присущие АД с короткозамкнутым ротором:

- сложность регулирования частоты вращения;

- большие пусковые токи;

- малые пусковые моменты

б) Общие недостатки с АД с фазным ротором:

- чувствительность к изменению напряжения сети (момент пропорционален квадрату напряжения);

- невысокие значения коэффициента мощности – то же самое имеет место быть и в АД с фазным ротором.

На перемагничивание ротора (и его обмотки) асинхронного двигателя, необходимое по принципу действия, затрачивается реактивная мощность (независимо от момента нагрузки). Чем реактивная мощность больше, тем коэффициент мощности меньше.

- максимальная частота вращения двигателя, работающего без преобразователя частоты, ограничена частотой сети; для АД, питаемых непосредственно от трёхфазной сети 50 Гц — это 3000 об/мин (n ), что не всегда бывает достаточно.

 

 

14.1.1.3. Области применения:

1) До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором использовались только в нерегулируемом электроприводе, где им равных не было [40].

Особенно интересным является применение такого электропривода в традиционно нерегулируемых насосах, вентиляторах, компрессорах. Как показывает опыт, это техническое решение позволяет экономить до 50% электроэнергии, до 20% воды и более 10% тепла [40].

2) Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому во многих технологиях рассматривается как основное направление развития электропривода, поскольку при этом существенно повышается качество технологических процессов и экономится до 30% электроэнергии. Это определяет перспективы развития частотно-регулируемого электропривода [40].

Для широкого применения в регулируемом электроприводе, АД должен на равных соперничать в этом отношении с коллекторными двигателями постоянного тока (КДПТ). А для этого был необходим эффективный способ регулирования его частоты вращения. Таким способом является частотное регулирование - изменение частоты и величины напряжения, приложенного к статорным обмоткам АД. Практическая реализация этого способа до последнего времени и была затруднена.

В настоящее время, благодаря успехам электроники, ситуация кардинально изменилась. Появились качественные и недорогие серийные преобразователи частоты, и частотно-регулируемый асинхронный электропривод стал одним из основных типов регулируемого электропривода, вытесняя из ряда областей регулируемый ДПТ [40].

 

АД с фазным ротором

Эскиз конструкции АД с фазным ротором приведен на рис. 14.3. 1 – станина; 2 – обмотка статора; 3 – ротор; 4 – контактные кольца; 5 – щетки. Фазная обмотка ротора имеет три фазы, концы которых присоединены к расположенным на валу контактным кольцам и соединены в звезду.

Рис. 14.3. Эскиз конструкции АД с фазным ротором [12]

Часть достоинств и недостатков, свойственных АД с короткозамкнутым ротором, присущи и АД с фазным ротором. Выделим достоинства и недостатки, относящиеся только к АД с фазным ротором.

 

14.1.2.1. Достоинства:

1) Возможность улучшения пусковых свойств.

Подключение дополнительного сопротивления к обмотке ротора при пуске позволяет получить большой пусковой момент и ограничить пусковой ток.

Если по мере разгона поочередно отключать группы резисторов, то момент и ток будут изменяться в определенных пределах. Введение добавочных резисторов позволяет реализовать плавный, без больших ускорений пуск двигателя.

2) Возможность дополнительного канала регулирования частоты вращения.

Введение добавочных резисторов в цепь ротора позволяет регулировать частоту вращения АД. Необходимо, правда, отметить, что такой способ регулирования частоты вращения обладает рядом существенных недостатков (об этом ниже).

3) Меньшие электрические потери в обмотках при переходных процессах по сравнению с КЗ АД.

4) Меньшее выделение потерь энергии в двигателе (поскольку часть потерь выделяется в добавочных резисторах, которые могут быть вынесены за пределы двигателя).

Это может быть востребовано в АД, в которых необходимо реализовать повышенное сопротивление цепи ротора (актуально для АД с большой частотой включения, при которой АД с КЗ ротором не проходят по нагреву или не дают требуемых характеристик динамического торможения). В этих случаях в цепь ротора на постоянной основе включают резисторы с сопротивлениями 0,15-0,4 от номинального. Получается как бы АД с КЗ ротором, но с вынесенными электрическими потерями в роторе [53].

 

Недостатки:

1) Худшие показатели по стоимости, массе и габаритным размерам по сравнению с АД с короткозамкнутым ротором. При одинаковом исполнении и одинаковой синхронной скорости по массе он на 8-10% тяжелее, а по стоимости на 30-50% дороже.

2) Худшие показатели по надежности.

Наличие скользящих контактов снижает надежность АД с фазным ротором и усложняет эксплуатацию.

 

Области применения

Этот тип АД применяется значительно реже, чем АД с короткозамкнутым ротором. АД с фазным ротором находят применение в тех областях, где востребованы их свойства, относящиеся к достоинствам, а именно, там, где:

1) регулирование скорости осуществляется в относительно небольших пределах (напр. привод подъемного крана);

2) необходим плавный пуск;

3) требуются хорошие тормозные качества;

4) требуется ограничение токов в переходных процессах.

То есть в приводах с тяжелыми условиями пуска и в механизмах, работа которых связана с частыми пусками и торможениями. Пример: крановый привод [40].

Отметим, что эти задачи можно было бы выполнить и при частотном управлении АД с короткозамкнутым ротором, но более сложным и дорогостоящим образом. И там, где хочется эти задачи выполнить пусть не так качественно, но с наименьшими затратами, применяют АД с фазным ротором.

 

Серийные АД

Как правило, АД выпускаются большими сериями.

Серия – это группа однотипных машин различной мощности с параметрами и характеристиками, подчиняющимися определенным законам [7].