Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60 % всей вырабатываемой в мире энергии преобразуется в механическую, в основном, с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были 100 лет назад русским ученым М.О.Доливо-Добровольским. В настоящее время по международному стандарту разработана единая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ и 5А. Мощность двигателей колеблется от десятков ватт до сотен киловатт.

Асинхронный двигатель изготавливается в однофазном, двухфазном и трехфазном исполнении.

Асинхронный двигатель состоит из статора и ротора. Статор представляет собой литой корпус (стальной или чугунный) цилиндрической формы. Внутри статора располагается магнитопровод с вырубленными пазами, в которые укладывается статорная обмотка. Концы обмоток выводятся в клеммную коробку и могут быть соединены, как треугольником, так и звездой. Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессовываются подшипники вала ротора. Ротор состоит из стального вала с напрессованным на него магнитопроводом.

По конструкции роторов двигатели делятся на две группы. Первая с короткозамкнутым ротором и вторая с фазным. У двигателя с короткозамкнутым ротором в пазы заливаются алюминие­вые стержни и накоротко замыкаются по торцам. У фазового ротора имеется три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток присоединены к кольцам, закрепленным на валу. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки, к которым подключаются сопротивления. В начальный момент пуска ротор находится в заторможенном состоянии, затем сопротивление уменьшается, и двигатель плавно запускается, что позволяет снизить пусковой ток.

К обмоткам статора подво­дится трехфазное напряжение, а ротор вращается посредством вра­щающегося магнитного поля, создаваемого системой трехфазного тока.

Вращающий электромагнитный момент двигателя в соответствии с законом электромагнитных сил

М = С_мФI_2scosj_2s,

где С_м – конструктивная постоянная; j_2s – фазовый сдвиг между током и магнитным потоком.

Отношение максимального момента М_mах к номинальному М_н определяет перегрузочную способность двигателя и составляет 2,0-2,2 (дается в каталожных данных). Максимальный момент соответствует критическому скольжению s_к, определяемого активными и индуктивными сопротивлениями двигателя и пропорционально активному сопротивлению цепи ротора.

Рабочий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, что необходимо учитывать при включении двигателя в протяженных распределительных сетях. Номинальному моменту соответствует номинальное скольжение, а пусковому s_п.

Зависимость момента двигателя от скольжения М = f(s) приведена на рис.61.

 

На участке от 0 до М_mах двигатель работает в устойчивом режиме, а участок от s_к называется режимом опрокидывания двигателя, при котором двигатель в результате перегрузки останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска. Пусковые свойства двигателя определяются соотношением пускового момента М_п и номинального, в соответствии с каталожными данными составляет 1,6-1,7.

Зависимость скорости вращения от нагрузки на валу двигателя называется механической характеристикой асинхронного двигателя, рис. 62.

Участок АВ механической характеристики соответствует устойчивому режиму работы асинхронного двигателя. Увеличение нагрузки (тормозного момента) ведет к некоторому снижению частоты вращения ротора, что вызывает увеличение вращающегося момента.

При превышении тормозного момента критического двигатель останавливается. Точка В на графике соответствует точке критического или опрокидывающего момента.

Тормозные режимы возникают в машине при определенных условиях или создаются искусственно с целью ускорения процесса остановки двигателя. Торможение может быть: генераторное с отдачей энергии в сеть, противовключением и динамическое.

 

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости от мощности на валу Р₂ таких параметров как момент, частота вращения, ток статора, КПД и cosj , рис.63.

 

Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелинейному закону, что связано с магнитной системой двигателя и при Р₂ = 0 определяется током холостого хода, составляющего до 40 % его номинального значения.

Расчетные формулы для выбора двигателя имеют вид:

М = Р₂/n; Р₁ =; Р₂ = hР₁.

Выбор двигателя по каталогу осуществляется следующим образом. По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружающей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и высоте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяются необходимая перегрузочная способность, КПД, масса и момент инерции.

Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения, для крановых механизмов – двигатели с повышенным скольжением и т.д. Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением.

В бытовых приборах используются однофазные двигатели. В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин.

Микромашины используются также в информационных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в системах автоматики и телемеханики. Одним из примеров является сельсин, предназначенный для передачи на расстояние угловых перемещений валов, механически не связанных друг с другом.