Асинхронные двигатели. Принцип действия. Маркировка. Достоинства и недостатки

Выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.
В дальнейшем начали применять масляные трансформаторы, так как было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой для трансформаторов.
1 основные понятия об асинхронном двигателеАсинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.
Двигатель имеет две основные части: неподвижную – статор и вращающуюся – ротор. Статор состоит из корпуса, представляющего собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна и алюминия. С помощью лап двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине производственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя к производственному механизму.
В корпус вмонтирован сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки, находящейся вне пазов, называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора действует переменный магнитный поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 – 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.
Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу и хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюда, стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон, слюда, асбест, стекловолокно.
Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы – X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе – треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В. Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В.
На корпусе двигателя имеется доска с зажимами, с помощью которых обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток – соответственно С4, С5 и С6.
Сердечник ротора представляет собой цилиндр, собранный из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы с обмоткой ротора.
Обмотки ротора бывают двух видов – короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней, расположенных в пазах, и замыкающих колец. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляются из меди, в других из – алюминия, в третьих из бронзы и т.д. Алюминиевую обмотку получают путем заливки в пазы жидкого алюминия [1].
Фазную обмотку ротора выполняют так же, как и обмотку статора. Она всегда соединяется звездой. Начала фаз обмоток присоединяют к контактным кольцам, которые изготавливают из стали или латуни и располагают на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки, расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор, который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя).
Вал ротора изготовлен из стали и вращается в шариковых или роликовых подшипниках. Подшипники укреплены в подшипниковых щитах, которые изготовлены из чугуна или стали и прикрепляются к корпусу болтами.
Тепловая энергия, возникающая в двигателе в результате потерь электрической энергии в его обмотках и магнитопроводе, нагревает двигатель. Для увеличения теплоотдачи ротор снабжен крыльчаткой, прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя.
2 Принцип действия асинхронных двигателейРассмотрение принципа действия асинхронного двигателя можно разделить на два этапа: первый этап – создание обмоткой статора вращающегося магнитного поля, второй этап – взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора. Магнитное поле асинхронного двигателя Симметричная трехфазная обмотка статора подключена к трехфазному источнику. При этом фазные токи симметричны, т.е. одинаковы по величине и отличаются по фазе на 1/3 часть периода. Временная диаграмма фазных токов показана на рис. 1. Обмотка статора с симметричным трехфазным током создает магнитное поле, распределенное в магнитной цепи асинхронного двигателя. Для анализа характера магнитного поля рассмотрим распределение его силовых линий в разные моменты времени, обозначенные на рис. t1, t2, t3, t4 через равные промежутки ∆t=T/3.

Рисунок 1 – Временная диаграмма фазных токов обмотки статора
Распределение силовых линий магнитного поля определяется направлением токов в проводниках обмотки статора, расположенных в его пазах. Каждая фаза трехфазной обмотки представлена одним витком, стороны которого находятся в диаметрально расположенных пазах. Три фазы смещены относительно друг друга по окружности на 120°. Проводники, соответствующие началам фаз, обозначены символами А, В, С, концы фаз – X, Y, Z. На рис.2 показаны силовые линии магнитного поля для трех моментов времени.
Рисунок 2 – Силовые линии магнитного поля асинхронного двигателя в разные моменты времени
Направления токов в проводниках определяются их значениями в соответствии с временной диаграммой на рис. 1. В частности, в момент времени t1 ток фазы А положителен (iA>0). На рис. 2 положительному значению тока соответствует направление за плоскость рисунка, которое обозначено в начале фазы А знаком «+». В конце этой фазы X ток отрицателен, т.е. имеет обратное направление, которое обозначено знаком «•». Аналогично обозначены токи двух других фаз, которые в соответствии с временной диаграммой в этот момент времени имеют отрицательные значения (iB0, iC0. Как видно на рис. 2, при питании обмотки статора трехфазным током создается двухполюсное магнитное поле. С изменением фазных токов это магнитное поле поворачивается в пространстве. При этом через равные промежутки времени (∆t=T/3) магнитное поле поворачивается в пространстве на равный угол (1/3 часть окружности). В момент времени t4 распределение токов в обмотке и магнитное поле повторяет момент t1, Таким образом, симметричная трехфазная обмотка статора асинхронного двигателя, потребляющая от трехфазного источника симметричные фазные токи, создает равномерно вращающееся в пространстве магнитное поле.
Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора Электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя создается при взаимодействии вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора. Рис. 2 иллюстрирует процессы, происходящие при этом взаимодействии [2].
Рисунок 3 – Взаимодействие вращающегося магнитного поля с обмоткой ротора
Здесь показаны стержни короткозамкнутой обмотки ротора. Вращающееся магнитное поле, связанное с ротором, представлено его силовыми линиями с индукцией В, направленными сверху вниз. Направление вращения магнитного поля – по часовой стрелке с частотой вращения n0. При вращении магнитного поля его силовые линии пересекают проводники обмотки ротора. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закона электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле (относительно магнитного поля), индуцируется ЭДС e. Величина этой ЭДС определяется интенсивностью магнитного поля (индукцией В) и скоростью движения проводника относительно магнитного поля v: e2 = Bvl2, (где l – длина проводников обмотки ротора). Направление ЭДС e2 в проводнике определяется по правилу правой руки. При этом необходимо иметь в виду, что вектор скорости определяется направлением движения проводника относительно магнитного поля. Например, на рис. 2 магнитное поле вращается по часовой стрелке. При этом относительно верхних проводников силовые линии движутся вправо. Это эквивалентно направлению движения проводника относительно магнитного поля влево, т.е. вектор скорости относительного движения проводника следует направить влево. С учетом этого направление ЭДС индукции в верхних проводниках обмотки ротора – из-за плоскости рисунка, а в нижних проводниках – за плоскость рисунка. Эти направления обозначены условными знаками «+» и «•». В короткозамкнутой обмотке ротора все стержни включены в замкнутую электрическую цепь посредством короткозамыкающих колец. В каждом стержне под действием ЭДС е2 возникает ток ротора (вторичный ток) i2 того же направления, что и ЭДС. Величина этого тока определяется величиной ЭДС е2 и полным сопротивлением обмотки ротора Z2. i2= e2/Z2. При возникновении тока в обмотке ротора проявляется силовое действие магнитного поля, т.е. на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действует электромагнитная сила Fэм. Величина этой силы определяется интенсивностью магнитного поля (индукцией В) и величиной тока i2: Fэм=Bi(2)/l. Направление действия электромагнитной силы определяется в соответствии с правилом левой руки. При направлениях силовых линий и токов в обмотке ротора, показанных на рис. 3, направление электромагнитной силы, действующей на верхние проводники, - вправо, а на нижние – влево. Силы, действующие на все проводники обмотки ротора, складываясь, создают электромагнитный вращающий момент Мэм, направленный по часовой стрелке. где D2 – диаметр ротора; N2 – число проводников обмотки ротора.
Под действием этого вращающего момента ротор вращается с частотой вращения n в том же направлении, что и магнитное поле. При этом двигатель, вращая приводной механизм, совершает механическую работу. Для осуществления реверса (изменения направления вращения) необходимо поменять направление вращения магнитного поля. Для этого достаточно переключить обмотку статора так, чтобы изменить последовательность чередования фаз на противоположную [3].
Таким образом, асинхронный двигатель, обмотка статора которого подключена к трехфазному источнику электроэнергии, создает электромагнитный вращающий момент и совершает механическую работу. Т.е. асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Необходимым условием создания электромагнитного момента является неравенство частоты вращения ротора n и магнитного поля n0. Если ротор вращается с такой же частотой вращения, как и магнитное поле (n=n0), то проводники обмотки ротора относительно магнитного поля неподвижны, т.е. скорость относительного движения v=0. Тогда ЭДС е2 в обмотке ротора равна нулю, и тока в обмотке нет (i2=0), электромагнитная сила не создается (Fэм=0) и электромагнитный вращающий момент равен нулю. Т.е. механическая энергия не создается. Такой режим работы асинхронного двигателя называется холостой ход. Частота вращения ротора, равная частоте вращения магнитного поля, называется синхронной.
3 маркировка асинхронных двигателейВ двигателях серий А, АО, А2, АО2 и A3 буква А означает брызгозащищенное исполнение, АО – закрытое обдуваемое, первая цифра после букв – номер серии. Число после первого дефиса характеризует типоразмер; первая цифра в нем указывает габарит (условный номер наружного диаметра сердечника статора), вторая – условный номер длины. Цифра после второго дефиса соответствует числу полюсов. Например, АО2-62-4 – асинхронный трехфазный электродвигатель в закрытом обдуваемом исполнении, второй единой серии, шестого габарита, второй длины, четырехполюсный. Электродвигатели 1-5-го габаритов во второй серии выпускают только в закрытом обдуваемом исполнении, что повышает их надежность: срок службы закрытой машины малой мощности увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с защищенной.
Двигатели единых серий А, АО и А2, АО2 основного исполнения имеют короткозамкнутый ротор с литой алюминиевой обмоткой. На их базе был создан ряд модификаций двигателей. При обозначении модификаций к буквенной части добавляется буква для электродвигателей: с повышенным пусковым моментом – П (например, АОП2-62-4); с повышенным скольжением – С, для текстильной промышленности – Т, с фазным ротором – К.
Асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов с большими нагрузками в период пуска. Двигатели с повышенным скольжением применяются для механизмов с неравномерным ударным характером нагрузки и механизмов с большой частотой пусков и реверсов.
Для двигателей общего назначения с алюминиевой обмоткой статора в конце обозначения добавляется буква А (например, АО2-42-4А). В двигателях на несколько частот вращения в цифры, характеризующие числа полюсов, вносят все их значения, разделенные косыми линиями: например, АО-94-12/8/6/4 – трехфазный асинхронный двигатель серии АО 9 габарита, 4-й длины на 12, 8, 6 и 4 полюсов.
Буква Л (например, АОЛ2-21-6) обозначает, что корпус и щиты отлиты из алюминиевого сплава.
Обозначение типоразмера двигателя серии 4А, например 4АН280М2УЗ, расшифровывается следующим образом: 4 УЗ – климатическое исполнение (У) и кате размещения (3). Порядковый номер серии, А УЗ – климатическое исполнение (У) и кате размещения (3). Вид двигателя (асинхронный), Н УЗ – климатическое исполнение (У) и категории размещения (3). Защищенный (отсутствие данного знака означает закрытое обдуваемое исполнение), 280 УЗ – климатическое исполнение (У) и категории размещения (3). Высота оси вращения (три или две цифры), мм, S, М или L - установочный размер по длине станины, 2 (или 4, 6, 8, 10, 12) – число полюсов, УЗ – климатическое исполнение (У) и категория размещения (3).
После первой буквы А может стоять вторая А (например, 4АА63), которая означает, что станина и щиты выполнены из алюминиевого сплава, или X – станина алюминиевая, щиты чугунные; отсутствие этих знаков свидетельствует о том, что станина и щиты чугунные или стальные.
В обозначении двигателей с фазным ротором ставится буква К, например, 4АНК.
При одних и тех же размерах станины сердечник статора может иметь разные длины. В этом случае в обозначении типоразмера после букв S, M, JL и непосредственно после высоты вращения, если эти буквы отсутствуют, ставятся знаки А (меньшая длина сердечника) или В (большая длина), например, 4А90LА8, 4A90LB8, 4А71А6, 4А71В6.
Климатические исполнения двигателей обозначаются следующими буквами: У – для умеренного климата, ХЛ – для холодного климата, ТВ — для влажного тропического климата, ТС – для тропического сухого климата, Т – для тропического как сухого, так и влажного климата, О – для всех районов на суше (общеклиматическое исполнение), М – для морского умеренного холодного климата, ТМ – для тропического морского климата, ОМ – для неограниченного района плавания, В – для всех районов на суше и море.
Категории размещения обозначаются цифрами: 1 – для работы на открытом воздухе, 2 – для помещений со сравнительно свободным доступом воздуха, 3 – для закрытых помещений, где колебания температуры, влажности, а также воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, 4 – для помещений с искусственно регулируемыми климатическими условиями (например, закрытые отапливаемые и вентилируемые производственные помещения), 5 – для работы в помещениях с повышенной влажностью (например, невентилируемые и неотапливаемые подземные помещения, помещения, в которых возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке).
ГОСТ 17494-72 на электрические машины устанавливают степени защиты персонала от соприкосновения с токопроводящими или движущимися частями, находящимися внутри машины и, кроме того, от попадания твердых посторонних тел и воды.
Электродвигатели общего применения в основном изготовляют двух степеней защиты: 1Р23 (или IP22 для двигателей постоянного тока) и IP44: первая из них характеризует машины в защищенном исполнении, вторая – в закрытом [4].
Буквенно-цифровое обозначение степени защиты состоит из латинских букв IP и двух цифр. Первая из этих цифр характеризуй степень защиты персонала от соприкосновения с токопроводящими и вращающимися частями, находящимися внутри машины, а также степень защиты самой машины от попадания в нее твердых посторонних тел; вторая цифра – от проникновения воды внутрь машины.
В обозначении IР23 первая цифра 2 указывает, что в машине обеспечена защита от возможного соприкосновения пальцев человека с токопроводящими и движущимися частями и попадания внутрь твердых посторонних тел диаметром не менее 12,5 мм. Цифра 3 указывает на обеспечение защиты от дождя, падающего на машину под углом не более 60° к вертикали, а в обозначении IP22 вторая цифра – от капель воды, падающих под углом не более 15° к вертикали.
В обозначении IP44 первая цифра 4 указывает на обеспечение защиты от соприкосновения инструмента, проволоки и других подобных предметов толщиной более 1 мм с токопроводящими частями внутри машины, а также от попадания внутрь предметов размерами не менее 1 мм. Вторая цифра 4 обозначает защиту от водяных брызг любого направления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Достоинства асинхронного двигателя:
1.Простота изготовления.
2.Относительная дешевизна.
3.Высокая надёжность в эксплуатации.
4.Невысокие эксплуатационные затраты.
5.Возможность включения в сеть без каких-либо преобразователей (для нагрузок, не нуждающихся в регулировке скорости).
Все вышеперечисленные достоинства являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности – это асинхронные машины, в исполнении АДКЗ.
Недостатки асинхронного двигателя:
1.Небольшой пусковой момент.
2.Значительный пусковой ток.
3.Низкий коэффициент мощности.
4.Сложность регулирования скорости с необходимой точностью [5].
Причиной широкого распространения асинхронных двигателей является их предельная простота, надёжность и экономичность. Можно сказать, что асинхронные двигатели совместно с синхронными генераторами и трёхфазными линиями передачи и распределения электрической энергии образуют систему передачи механической энергии на расстояние. В последнее время в связи с появлением полупроводниковых преобразователей частоты для питания асинхронных двигателей область их применения существенно расширилась. Они стали широко применяться в высокоточных приборных приводах там, где ранее использовались в основном двигатели постоянного тока.
Список используемых источников
1. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин : учебник для вузов / под ред. И. П. Копылова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2011. – 767 с.
2. Радин, В.И. Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. Для электромех. спец. Вузов / В.И. Радин, Д.Э. Брускин, А. Е. Зорохович; -М.: Высшая школа, 1988, – 328 с.
3. Кузнецов, М. И. Основы электротехники [Текст] / под ред. д-ра техн. наук С. В. Страхова. - 9-е изд., испр. - Москва : Высшая школа, 1964. - 559 с.
4. Зейдель, Х.Э Электротехника: Учебник для неэлектротехнических специальностей вузов/ Х.Э. Зейдель, В.В. Коген-Далин, В.В. Крымов и др.; Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1985. – 480 с.
5. Данилов, И. А. Общая электротехника с основами электроники [Текст] : учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений / И. А. Данилов, П. М. Иванов. - 4-е изд., стер. - Москва : Высшая шк., 2000. – 751 с.