Асинхронный двигатель. Достоинства, недостатки и основные конструкционные элементы.

Основные типы двигателей. По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 4.3, а и б). На статоре расположена трехфазная обмотка (см. § 3.6), которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет (рис. 4.3, в).

Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 4.4, а). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности беличью клетку обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис. 4.4,6). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины.

Рис. 4.3. Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (а, б) и схема его включения (в): 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3 — сердечник ротора; 4 — обмотка ротора — беличья клетка; 5 — обмотка статора; 6 — вентиляционные лопатки ротора; 7 — подшипниковый щит; 8 — кожух вентилятора; 9 — вентилятор

Для этой цели особенно пригоден алюминий, так как он обладает малой плотностью, легкоплавкостью и достаточно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности - закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки. В двигателях большой мощности беличью клетку выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 4.4, в). Различные формы пазов ротора показаны на рис. 4.4, г.

В электрическом отношении беличья клетка представляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Υ и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки m₂ равно числу пазов ротора z₂, причем в каждую «фазу» входят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, и устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микродвигателях.

Рис. 4.4. Конструкция короткозамкнутого ротора: 1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — лопасти вентилятора; 4 — короткоза-мыкающие кольца

Двигатели с фазным ротором(рис. 4.5, а). Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Υ, три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 4.5,6), вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток, скользящих по контактным кольцам, в ротор включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление.

	Рис. 4.5. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором и схема его включения: 1 - обмотка статора; 2 - сердечник статора; 3 - корпус; 4 - сердечник ротора; 5 - обмотка ротора; б - вал; 7 - кольца; 8 - пусковой реостат

Чтобы уменьшить износ колец и щеток, двигатели с фазным ротором иногда имеют приспособления для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата. Однако введение этих приспособлений усложняет конструкцию электродвигателя и несколько снижает надежность его работы, поэтому обычно применяют конструкции, в которых щетки постоянно соприкасаются с контактными кольцами. Основные конструктивные элементы двигателя с фазным ротором приведены на рис. 4.6.

Области применения двигателей различных типов. По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, периодической замены и пр.). Основные недостатки этих двигателей - сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты (электроприводы металлообраба­тывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с ко­роткозамкнутым ротором.

Как показано ниже, в двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели можно применять для привода машин и механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузоподъемных машин и пр.).

Рис. 4.6. Статор и ротор асинхронного двигателя с фазным ротором: 1 - обмотка статора; 2 - корпус; 3 - сердечник статора; 4 -коробка с выводами; 5 - сердечник ротора; 6 - обмотка ротора; 7 -контактные кольца

Области применения. Асинхронные двигатели небольшой мощности (15 — 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах для привода вентиляторов, насосов и другого оборудования, не требующего регулирования частоты вращения. В электробытовых приборах и автоматических устройствах обычно используют однофазные микродвигатели, так как эти приборы и устройства, как правило, получают питание от однофазной сети переменного тока.

Принцип действия и устройство однофазного двигателя. Обмотка статора однофазного двигателя (рис. 4.60, а) расположена в пазах, занимающих примерно две трети окружности статора, которая соответствует паре полюсов. В результате

Рис. 4.60. Поперечный разрез статора однофазного асинхронного двигателя (о) и направление вращающих моментов, действующих на его ротор (б)

(см. гл. 3) распределение МДС и индукции в воздушном зазоре близко к синусоидальному. Поскольку по обмотке проходит переменный ток, МДС пульсирует во времени с частотой сети. Индукция в произвольной точке воздушного зазора

(4.99)

В_х = В_m sin ωt cos (πх/τ).

Таким образом, в однофазном двигателе обмотка статора создает неподвижный поток, изменяющийся во времени, а не круговой вращающийся поток, как в трехфазных двигателях при симметричном питании.

Для упрощения анализа свойств однофазного двигателя представим (4.99) в виде

(4.99a)

В_х = 0,5В_т sin (ωt - πх/τ) + 0,5В_т sin (ωt + πх/τ),.

т. е. заменим неподвижный пульсирующий поток суммой идентичных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях и имеющих одинаковые частоты вращения: n_1пр = n_1обр = n₁ . Поскольку свойства асинхронного двигателя при круговом вращающемся поле подробно рассмотрены в § 4.7 — 4.12, анализ свойств однофазного двигателя можно свести к рассмотрению совместного действия каждого из вращающихся полей. Иными словами, однофазный двигатель можно представить в виде двух одинаковых двигателей, роторы которых жестко связаны между собой (рис. 4.60, б), при встречном направлении вращения магнитных полей и создаваемых ими моментов М_пр и М_обр . Поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым; поле обратного направления — обратным или инверсным.

Допустим, что направление вращения роторов совпадает с направлением одного из вращающихся полей, например с n_пр . Тогда скольжение ротора относительно потока Ф_пр

(4.100)

s_пр = (n_1пр - п₂ )/n_1пр = (n₁ - п₂ )/n₁ = 1 - n₂ /n₁ ..

Скольжение ротора относительно потока Ф_обр

(4.101)

s_обр = (n_1обр + п₂ )/п_1обр = (n₁ + п₂ )/n₁ = 1 + п₂ /n₁ ..

Из (4.100) и (4.101) следует, что

(4.102)

s_o6p = 1 + п₂ /n₁ = 2 - s_пр ..

Электромагнитные моменты М_пр и М_обр , образуемые прямым и обратным полями, направлены в противоположные стороны, а результирующий момент однофазного двигателя М_рез равен разности моментов при одной и той же частоте вращения ротора.

На рис. 4.61 показана зависимость М = f(s) для однофазного двигателя. Рассматривая рисунок, можно сделать следующие выводы:

а) однофазный двигатель не имеет пускового момента; он вращается в ту сторону, в которую приводится внешней силой; б) частота вращения однофазного двигателя при холостом ходе меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента, образуемого обратным полем;

в) рабочие характеристики однофазного двигателя хуже, чем трехфазного; он имеет повышенное скольжение при номи нальной нагрузке, меньший КПД, меньшую перегрузочную спо собность, что также объясняется наличием обратного поля;

г) мощность однофазного двигателя составляет примерно 2/3 от мощности трехфазного двигателя того же габарита, так как в однофазном двигателе рабочая обмотка занимает только 2/3 пазов статора. Заполнять все пазы статора

Рис. 4.61. Механическая характеристика однофазного асинхронного двигателя

так как при этом обмоточный коэффициент получается малым, расход меди возрастает примерно в 1,5 раза, в то время как мощность увеличивается только на 12%.

Пусковые устройства. Чтобы получить пусковой момент, однофазные двигатели имеют пусковую обмотку, сдвинутую на 90 электрических градусов относительно основной рабочей обмотки. На период пуска пусковую обмотку присоединяют к сети через фазосдвигающие элементы — емкость или активное сопротивление. После окончания разгона двигателя пусковую обмотку отключают, при этом двигатель продолжает работать как однофазный. Поскольку пусковая обмотка работает лишь короткое время, ее изготовляют из провода меньшего сечения, чем рабочую, и укладывают в меньшее число пазов.

Подробно рассмотрим процесс пуска при использовании в качестве фазосдвигающего элемента емкости С (рис. 4.62, а). На пусковой обмотке П напряжение
Ú_1п = Ú₁ — Ú_C = Ú₁ +jÍ_1п X_C , т. е. оно сдвинуто по фазе относительно напряжения сети U₁ , приложенного к рабочей обмотке Р. Следовательно, векторы токов в рабочей I_1р и пусковой I_1п обмотках сдвинуты по фазе на некоторый угол. Выбирая определенным образом емкость фазосдвигающего конденсатора, можно получить режим работы при пуске, близкий к симметричному (рис. 4.62, б), т. е. получить круговое вращающееся поле. На рис. 4.62, в показаны зависимости М = f(s) для двигателя при включенной (кривая 1) и выключенной (кривая 2) пусковой обмотке. Пуск двигателя осуществляется на части аb характеристики 1; в точке b пусковая обмотка выключается, и в дальнейшем двигатель работает на части сО характеристики 2.

Поскольку включение второй обмотки существенно улучшает механическую характеристику двигателя, в некоторых случаях применяют однофазные двигатели, в которых обмотки А и В

Рис. 4.62. Схема однофазного асинхронного двигателя с конденсаторным пуском (а), его векторная диаграмма (б) и механическая характеристика (в)

Рис. 4.63. Схема конденсаторного асинхронного двигателя (a) и его механическая характеристика (б)

включены все время (рис. 4.63, а). Такие двигатели называют конденсаторными.

Обе обмотки конденсаторных двигателей занимают, как правило, одинаковое число пазов и имеют одинаковую мощность. При пуске конденсаторного двигателя для увеличения пускового момента целесообразно иметь увеличенную емкость С_р + С_п . После разгона двигателя по характеристике 2 (рис. 4.63,б) и уменьшения тока часть конденсаторов Сн отключают, чтобы при номинальном режиме (когда ток двигателя становится меньшим, чем при пуске) увеличить емкостное сопротивление и обеспечить работу двигателя в условиях, близких к работе при круговом вращающемся поле. При этом двигатель работает на характеристике 1.

Конденсаторный двигатель имеет высокий cos φ. Недостатками его являются сравнительно большая масса и габариты конденсатора, а также возникновение несинусоидального тока при искажениях питающего напряжения, которое в ряде случаев приводит к вредному воздействию на линии связи.

При легких условиях пуска (небольшой нагрузочный момент в пусковой период) применяют двигатели с пусковым сопротивлением R (рис. 4.64, а). Наличие активного сопротивления в цепи пусковой обмотки обеспечивает меньший сдвиг фаз φ_п между напряжением и током в этой обмотке (рис. 4.64, б), чем сдвиг фаз φ_р в рабочей обмотке. В связи с этим токи в рабочей и пусковой обмотках оказываются сдвинутыми по фазе на угол φ_р — φ_п и образуют несимметричное (эллиптическое) вращающееся поле, благодаря которому и возникает пусковой момент. Двигатели с пусковым сопротивлением надежны в эксплуатации в выпускаются серийно. Пусковое сопротивление встраивают в корпус двигателя и охлаждают тем же воздухом, который охлаждает весь двигатель.

Рис. 4.64. Схема однофазного асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением (а) и его векторная диаграмма (б)

Однофазные микродвигатели с экранированными полюсами. В этих двигателях обмотку статора, подсоединяемую к сети, выполняют обычно сосредоточенной и укрепляют на явно-выраженных полюсах (рис. 4.65, а), листы которых штампуют совместно со статором. В каждом полюсе один из наконечников охватывается вспомогательной обмоткой, состоящей из одного или нескольких короткозамкнутых витков, которые экранируют от 1/5 до 1/2 полюсной дуги. Ротор двигателя — короткозамкнутый обычного типа.

Магнитный поток машины, создаваемый обмоткой статора (поток полюса), можно представить в виде суммы двух составляющих (рис. 4.65, б) Ф_п = Ф_п1 + Ф_п2 , где Ф_п1 — поток, проходящий через часть полюса, не охваченную короткозамкну-тым витком; Ф_п2 — поток, проходящий через часть полюса, экранированную короткозамкнутым витком.

Потоки Ф_п1 и Ф_п2 проходят через различные части полюсного наконечника, т. е. смещены в пространстве на угол β. Кроме того, они сдвинуты по фазе относительно МДС F_п обмотки статора на различные углы — γ₁ и γ₂ . Это объясняется тем, что каждый полюс описываемого двигателя можно рассматривать в первом приближении как трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка статора, а вторичной — короткозамкнутый виток. Поток обмотки статора индуцирует в короткозамкнутом витке ЭДС E_к (рис. 4.65, в), вследствие чего возникает ток I_к и МДС F_к, складывающаяся с МДС F_п обмотки статора. Реактивная составляющая тока I_к уменьшает поток Ф_п2 , а активная — смещает его по фазе относительно МДС F_п . Так как поток Ф_п1 не охватывает короткозамкнутый виток, угол γ₁ имеет сравнительно небольшое значение (4—9°) — примерно такое же, как угол сдвига фаз между потоком трансформатора и МДС первичной обмотки в режиме холостого хода. Угол γ₂значительно больше (около 45°),

Рис. 4.65. Конструктивные схемы однофазного двигателя с экранированными полюсами и его векторная диаграмма: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — короткозамкнутый виток; 4 — ротор; 5 - полюс

т. е. такой, как в трансформаторе со вторичной обмоткой, замкнутой накоротко (например, в измерительном трансформаторе тока). Это объясняется тем, что потери мощности, от которых зависит угол γ₂ , определяются не только магнитными потерями мощности в стали, но и электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Потоки Ф_п1 и Ф_п2 , смещенные в пространстве на угол β и сдвинутые по фазе во времени на угол γ = γ₂ — γ_l , образуют эллиптическое вращающееся магнитное поле (см. гл. 3), которое воздает вращающий момент, действующий на ротор двигателя в направлении от первого полюсного наконечника, не охватываемого короткозамкнутым витком, ко второму наконечнику (в соответствии с чередованием максимумов потоков «фаз»).

Для увеличения пускового момента рассматриваемого двигателя путем приближения его вращающегося поля к круговому применяют различные способы: устанавливают между полюсными наконечниками смежных полюсов магнитные шунты, которые усиливают магнитную связь между основной обмоткой и короткозамкнутым витком и улучшают форму магнитного поля в воздушном зазоре; увеличивают воздушный зазор под наконечником, не охватываемым короткозамкнутым витком; используют два и большее количество коротко-замкнутых витков на одном наконечнике с разными углами охвата. Имеются также двигатели без короткозамкнутых витков на полюсах, но с несимметричной магнитной системой: различной конфигурацией отдельных частей полюса и разными воздушными зазорами. Такие двигатели имеют меньший пусковой момент, чем двигатели с экранированными полюсами, но КПД их выше, так как у них отсутствуют потери мощности в короткозамкнутых витках.

Рассмотренные конструкции двигателей с экранированными полюсами являются нереверсивными. Для осуществления ревер­са в таких двигателях вместо короткозамкнутых витков применяют катушки В1, В2, В3 и В4 (рис. 4.65, в), каждая из которых охватывает половину полюса. Замыкая накоротко пару катушек В1 и В4 или В2 и В3,можно экранировать одну или другую половину полюса и изменять таким образом направление вращения магнитного поля и ротора.

Двигатель с экранированными полюсами имеет ряд существенных недостатков: сравнительно большие габаритные размеры и массу; низкий cos φ ≈ 0,4 ÷ 0,6; низкий КПД η = 0,25 ÷ 0,4 из-за больших потерь в короткозамкнутом витке; небольшой пусковой момент и др. Достоинствами двигателя являются простота конструкции и вследствие этого высокая надежность в эксплуатации. Благодаря отсутствию зубцов на статоре шум двигателя незначителен, поэтому он часто употребляется в устройствах по воспроизводству музыки и речи.