Асинхронные машины: принцип действия, устройство, параметры и основные характеристики

Общие сведения и конструкция АД. Современные трехфазные асинхронные электродвигатели (АД) явля­ются основными преобразователями электрической энергии в ме­ханическую и составляют основу электропривода большинства ма­шин и механизмов, работающих во всех отраслях народного хозяйства, в том числе на строительных площадках.

Об их роли в электроприводе, что из всех вы­пускаемых в мире двигателей 90 % являются трехфазными асин­хронными. Эти электрические машины потребляют до 70 % всей вырабатываемой электроэнергии, на их изготовление расходуется значительное количество дефицитных материалов, обмоточной меди, изоляции, электротехнической стали и др. В затратах на об­служивание и ремонт всего установленного в стране оборудования более 5 % приходится на асинхронные двигатели. Поэтому правиль­ный выбор двигателей, их грамотная эксплуатация и высококаче­ственный ремонт играют важнейшую роль в деле экономии элект­рической энергии, материальных и ресурсов.

Внешний вид и конструкция АД представлены на рис. 9.7-9.9.

Станина 1 и торцевые щиты 2 отлиты из чугуна. Наружный вен­тилятор 3 крепится на выступающем конце вала 4, противополож­ном выводному. Вентилятор закрыт кожухом из листовой стали 5. Наружный воздух засасывается вентилятором через жалюзи кожуха и прогоняется вдоль ребер станины, на которой укреплена коробка выводов 6. При установке она может быть повернута в удобном для подводки питающего кабеля направлении.

Внизу станины ребра расположены более редко и укорочены по сравнению с другими, что дает возможность несколько уменьшить высоту оси вращения. Сердечник статора 7 выполнен из листов электротехнической стали и после опрессовки скреплен ско­бами 8. Сердечник закреплен в станине стопорными винтами 9, пре­дохраняющими его от проворачивания при резких толчках нагруз­ки. Пазы сердечника полузакрытые. Обмотка 10 выполнена из круглого обмоточного провода, применяемого при машинной намотке. Сердечник ротора 11 выпол­няется из той же стали, что и статор, опрессовывается и в таком состоянии заливается алюминием. Одновременно с заливкой пазов отливаются замыкающие кольца 12 и вентиляционные лопатки. На замыкающих кольцах с обоих торцов ротора при балансировке кре­пятся балансировочные грузы 13.

Рис. 9.7 Внешний вид сердечника статора трехфазного АД (а); короткозам­кнутого ротора (б); его обмотки в виде «беличьей клетки» (в); короткозамк­нутого ротора с алюминиевой литой обмоткой (г); стандартное изображение двигателя с короткозамкнутым ротором на схемах (д); внешний вид фазного ротора (е).

 

Сердечник ротора в машинах с высотой оси вращения h< 250 мм крепится на валу горячей посадкой. При больших h для крепления применяют шпонки. Вал ротора выполнен из стали 45. Вентиля­тор — литой из алюминия. При отливке вентилятора в него устанав­ливается стальная втулка 14, которая служит для крепления венти­лятора на валу.

Подшипниковые щиты крепятся к станине при помощи бол­тов 15. В центре щита имеются отверстия, расточенные под посад­ку наружных обойм подшипников 16 и 17. Точность положения оси ротора относительно внутренней поверхности станины обеспечива­ется обработкой поверхностей посадки подшипниковых щитов на станину и наружных обойм подшипников при одной установке щи­тов на станине, а поверхностей станины — под посадку щитов на станке, а поверхностей станины — под посадку щитов в сердечнике статора при одной установке станины на расточном станке. Каждый из подшипников закрыт с обеих сторон подшипниковыми крыш­ками 18и 19, препятствующими вытеканию смазки при работе ма­шины.

Подшипниковые крышки имеют развитые поверхности приле­гания к валу с лабиринтными уплотнениями. В двигателях меньшей мощности устанавливают два шариковых подшипника. При боль­шей мощности со стороны выводного конца располагают ролико­вый подшипник, а с противоположной стороны — шариковый.

Станина крепится к фундаменту с помощью лап, имеющих от­верстия под крепежные болты. Лапы отлиты вместе со станиной. Сверху она имеет прилив с резьбовым отверстием, в которое ввин­чивается рым-болт 20 для подъема двигателя при монтаже. На ла­пах выполнены отверстия с резьбой, в которые ввинчиваются бол­ты 21 для подсоединения шин заземления.

Конструкция АД с фазным ротором представлена на рис. 9.9. Жесткая, сварная из стального проката станина 1 охватывает толь­ко нижнюю половину сердечника статора 2, который крепится в ней с помощью массивных зажимных колец 3. Корпус 4 выполнен из листовой стали. Подшипниковые щиты 5 также крепятся к стани­не только нижней половиной. Подшипники 6 и 7заключены в кап­сулы, монтируются с крышками 8 и 9 до сборки двигателя и в со­бранном виде устанавливаются в подшипниковые щиты.

Охлаждающий воздух засасывается в двигатель через жалюзи 10 на торцевых щитах, направляется диффузорами 11 на вентиляцион­ные лопатки 12 ротора 13, омывает лобовые части обмотки 14 и сердечник статора и выбрасывается в жалюзи на боковых сторонах корпуса.

 

Рис. 9.8 Конструкция АД серии А4 со степенью защиты IP 44, h =160 мм

Рис. 9.9. Конструкция асинхронного трехфазного двигателя серии А4 с фазным ротором (степень защиты IP23, h=355 мм)

 

 Выходные коны обмотки ротора16 проходят к контактным кольцам 17 через внутренние отверстия вала ротора. Контактные кольца располагаются на пластмассовой втулке 18, которая консольно крепится к торцу вала. Весь щеточный узел закрыт кожухом 19, на котором находится коробка зажимов 20 для соединения щеток с пусковым реостатом.

Двигатели с фазным ротором являются модификацией АД с ко­роткозамкнутым ротором. Главное достоинство таких АД — возмож­ность пуска при малых пусковых токах, что особенно важно для работы от слабых сетей. Кроме того, фазный АД можно регулиро­вать по частоте вращения, вводя в ротор резистор. В ряде случаев фазные асинхронные машины работают в режиме генератора как нагружающие устройства. Иногда они используются в асинхронном вентильном каскаде, допускающем плавную регулировку частоты вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощ­ности.

Выводные концы обмотки ротора, соединенной обычно в звез­ду, подключены к трем контактным кольцам. С помощью щеток через кольцо в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор или ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины, щетки позволяют замкнуть обмотку накоротко. В боль­шинстве случаев добавочный резистор вводится в обмотку ротора для облегчения пуска АД, так как в этом случае увеличивается мо­мент и уменьшается ток. При работе АД пусковой резистор должен быть полностью' выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко.

Принцип действия трехфазного АД. Трехфазный асинхронный двигатель, схематично показанный на рис. 9.10, — это двухполюсный двигатель с короткозамкнутым ро­тором. При подаче трехфазного напряжения на зажимы статорной об­мотки в его магнитной системе, как уже отмечалось выше, возни­кает вращающееся магнитное поле с полюсами No - So, эквивален­тное полю постоянного магнита.

Для рассмотрения принципа действия двигателя условно заменим вращающееся магнитное поле статора полем постоянного магнита, который будем вращать по часовой стрелке (рис. 9.11, а), а короткозамкнутую обмотку ротора — одним короткозамкнутым витком (рис. 9.11, б), закрепленным на осях с возможностью вращения.

В момент запуска двигателя, когда ротор (изображаемый корот­козамкнутым витком) неподвижен, а внешнее магнитное поле на­чало вращаться, силовые линии этого поля пересекают обмотки ротора и наводят в ней ЭДС, направление которой можно опреде­лить, используя правило правой руки.

Напомним его: «Если правую руку расположить так, чтобы сило­вые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то вытянутые четыре пальца покажут направление наведенной ЭДС».

Обратим внимание на то, что в данном случае относительно дви­жущегося по часовой стрелке магнитного поля проводник (будучи пока неподвижным) как бы перемещается в противоположном на­правлении. Поэтому, согласно правилу правой руки, в верхней части витка ЭДС будет направлена к нам, а в нижней части нитка — от нас.

Так как ЭДС возникает в замкнутом витке, то под ее действием пойдет электрический ток, практический совпадающий по фазе с ЭДС.

Проводник же с током, находящийся в магнитном поле, будет из него выталкиваться в направлении, определенном правилом левой руки: «Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии вхо­дили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направ­ление выталкивающей силы, действующей на проводник».

Рис. 9.10 Конструктивная схема трехфазно асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — короткозамыкающее кольцо обмотки ротора; 4 — рабочие стержни работы ротора; 5 – вал; 6 – сердечник ротора