Общие сведения. В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь­ко процентов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Общие сведения

В двигательном режиме разница частот вращения ротора и поля статора в большинстве случаев невелика и составляет лишь несколь­ко процентов. Поэтому частоту вращения ротора оценивают не в абсолютных единицах (об/мин или об/с), а в относительных, вводя понятие скольжения:

,

где – частота вращения поля (синхронная частота вращения);

n – частота вращения ротора.

Скольжение выражается либо в относительных единицах (s = 0,02; 0,025 и т. п.), либо в процентах (s = 2 %; 2,5 % и т. п.).

Частота тока и ЭДС, наводимая в проводниках обмотки ротора, зависят от частоты тока и ЭДС обмотки статора и от скольжения:

; ,

где – ЭДС обмотки статора;

– ЭДС обмотки ротора, приве­денная к числу витков обмотки статора.

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения (рис. 1.1), но не при s = 0, так как в этом случае и проводники обмотки ротора неподвижны отно­сительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует.

Рис. 1.1. Механическая характеристика асинхронной машины

В зависимости от практически возможных скольже­ний различают несколько режи­мов работы асинхронных машин (рис. 1.1): генераторный режим при s < 0, двигательный при , трансформаторный при s = 1 и тормозной при s > 1. В ге­нераторном режиме ротор маши­ны вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой. В двигательном – направления вращения поля статора и ро­тора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: . В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг дру­га. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой транс­форматор и отличается от него расположением первичной и вторич­ной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе. В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля ста­тора и машина создает момент, противоположный моменту, действу­ющему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количе­ство – в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме – кратковременно.

Для оценки механической характеристики асинхронного двига­теля моменты, развиваемые двигателем при различных скольжени­ях, обычно выражают не в абсолютных, а в относительных едини­цах, т.е. указывают кратность по отношению к номинальному моменту: . Зависимость асинхронного двига­теля (рис. 1.2) имеет несколько характерных точек, соответствую­щих пусковому , минимальному , максимальному и но­минальному моментам.

Пусковой момент характеризует начальный момент, развивае­мый двигателем непосредственно при включении его в сеть при непо­движном роторе (s = 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 1.2). Обычно на 10...15% меньше , Большинство двигателей проектируют так, чтобы их был больше , так как они могут достигнуть но­минальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем .

Рис. 1.2. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения

Максимальный момент характеризует перегрузочную спо­собность двигателя. Если момент сопротивления превышает , двигатель останавливается. Поэтому называют также критиче­ским, а скольжение, при котором момент достигает максимума, – критическим скольжением . Обычно не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургиче­ских и т.п.) может быть значительно большим.

В диапазоне характеристика имеет устойчи­вый характер. Она является рабочей частью механической характе­ристики двигателя. При скольжениях двигатель в нормаль­ных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхо­да на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т.е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколь­ко раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольже­ниях, близких к единице, может находиться лишь в течение несколь­ких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению до­пустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

Для работы асинхронных машин со скольжениями, близкими к единице, в трансформаторном или тормозном режимах их рассчи­тывают с пониженными электромагнитными нагрузками. Приме­ром использования асинхронных машин, номинальным режимом для которых является трансформаторный, могут служить индукци­онные регуляторы или фазовращатели.

Рабочие характеристики асинхронных двигателей (рис. 1.3) по­казывают, что наибольшего КПД правильно спроектированный двигатель достигает при нагрузке, на 15...20% меньше номиналь­ной. Двигатели рассчитываются так потому, что большинство из них из-за стандартной дискретной шкалы мощностей работают с не­догрузкой.

Рис. 1.3. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Напомним, что наибольший КПД будет у двигателя при нагрузке, при которой постоянные не зависящие от тока потери (по­тери в стали, механические, вентиляционные) будут в сумме равны переменным, зависящим от тока, – электрическим потерям в об­мотках двигателя. Это позволяет при проектировании на­правленным выбором плотности тока в обмотках и индукции на участках магнитопровода определить нагрузку, при которой КПД достигнет наибольшего значения.

Конструктивные исполнения асинхронных двигателей по спосо­бу монтажа соответствуют ГОСТ 2479. Наибольшее распростране­ние получили группы исполнения IM2-IM4, т.е. двигате­ли со станиной на лапах или с разного вида фланцами на станине или на подшипниковом щите. Среди двигателей малой мощности встречаются группы исполнения IM5 — машины без подшипнико­вых щитов и IM9 — машины специального исполнения, которые ча­сто применяют как встроенные в различные механизмы, в ручной электрифицированный инструмент и т.п. Асинхронные двигатели мощностью более 1000кВт, особенно с малой частотой вращения, часто выполняют с выносными подшипниковыми стойками — груп­па исполнения IM7 или IM8.

По степени защиты от воздействия окружающей среды наиболее характерны для двигателей малой и средней мощности исполнения IP44 и IP54 со способом охлаждения IC0141. Двигатели средней мощности выпускают также со степенью защиты IP23 и способом охлаждения IC0l. Двигатели большой мощности на высокое напря­жение часто имеют закрытое исполнение со встроенным воздушным или водяным охладителем, например с охлаждением по способу IC37A81 (см. гл. 7).

Сердечники статоров и роторов всех асинхронных двигателей общего назначения шихтуют из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. При длине сердечника менее 250...300 мм они вы­полняются без вентиляционных каналов. При большей длине сер­дечники подразделяют на пакеты длиной 40...50 мм каждый. Между пакетами устанавливают дистанционные распорки, при этом обра­зуются радиальные вентиляционные каналы, служащие для прохода охлаждающего воздуха. Ширина каналов в большинстве машин вы­полняется равной 10 мм. В собранной машине радиальные каналы статора и ротора располагаются напротив друг друга.

Статоры машин общего назначения напряжением до 660 В, мощ­ностью до 100 кВт имеют трапецеидальные полузакрытые пазы с уз­ким шлицем, размерные соотношения которых (шири­ну верхней и нижней частей и высоту паза) выполняют такими, чтобы зубцы статора имели параллельные стенки. Это уменьшает МДС зубцов по сравнению с зубцами с неравномерной площадью поперечного сечения. Обмотку таких машин выполняют из кругло­го провода.

В статорах машин большей мощности обмотку выполняют из прямоугольного провода, причем при напряжении, не превышаю­щем 660 В, из подразделенных катушек. Пазы статора в таких ма­шинах полуоткрытые, что позволяет избежать боль­шой неравномерности индукции в воздушном зазоре. Обмотку укладывают в пазы, пропуская через суженный шлиц паза каждую из полукатушек поочередно.

В статорах машин с номинальным напряжением 3 кВ и выше и машин специального исполнения независимо от напряжения выпол­няют обмотку из жестких, изолированных до укладки в пазы кату­шек. Поэтому пазы таких машин делают только открытыми.

Конструкция крепления сердечника статора в корпусе зависит от габаритов и мощности машины. В большинстве машин малой мощ­ности корпуса выполняют из алюминия, в некоторых конструкци­ях — заливкой алюминия на собранный сердечник статора. Под­шипниковые щиты также алюминиевые. В машинах большей мощности и корпуса, и подшипниковые щиты чугунные. В машинах больших габаритов корпуса сварные из стальных листов, закрытые снаружи листовой сталью. Магнитопровод крепится к продольным ребрам корпуса.

Магнитопроводы роторов шихтуют из той же стали, что и ста­торов. В двигателях общего назначения с высотой оси вращения до 450 мм их насаживают непосредственно на вал, причем до высоты оси вращения 250 мм — на гладкий вал; в двигателях с большей вы­сотой оси вращения — крепят на валу с помощью шпонки. Сердеч­ники роторов больших габаритов насаживают на втулку или на ос­тов ротора.

В большинстве асинхронных двигателей вентиляторы устанав­ливают на валу ротора, в двигателях со степенью защиты IP23 — внутри корпуса, со степенью защиты IP44 и IP54 — вне корпуса и защищают кожухом.

Асинхронные двигатели подразделяют на два типа: с коротко-замкнутыми и фазными роторами. По конструк­ции они отличаются между собой только роторами и отдельными элементами корпусов. В пазах фазных роторов располагают изоли­рованную трехфазную обмотку, жестко соединенную в звезду или в треугольник. Обмотка имеет три вывода, которые соединены токопроводами с контактными кольцами. Прилегающие к контактным кольцам щетки электрически соединяют выводы обмотки ротора с пусковым реостатом, который позволяет увеличивать сопротивле­ние роторной цепи во время пуска двигателя. Контактные кольца располагают либо внутри корпуса, либо вне его на выступающем конце вала. При такой конструкции кольца и весь щеточный аппа­рат закрывают кожухом из листовой стали.

При пуске двигателя между кольцами включают пусковые рези­сторы, что увеличивает активное сопротивление цепи ротора и, сле­довательно, пусковой момент двигателя и ограничивает ток при пу­ске и разгоне. По мере разгона группы резисторов пускового реостата поочередно замыкают, причем время замыкания очередной группы выбирают таким, чтобы до достижения номинальной частоты вращения во время всего пускового периода момент и ток двигателя изменялись в определенных пределах.

Включение резисторов в цепь ротора используют также дня плавного регулирования частоты вращения. Однако эта возмож­ность ограничена возникновением больших потерь в резисторах, по которым проходит фазный ток ротора. В ряде приводов, например в крановых, такой способ регулирования все же применяют, но в этом случае используют не пусковой, а регулировочный реостат, рассчитанный на длительную работу при больших токах.

Обмотки короткозамкнутых роторов не имеют изоляции. В дви­гателях общего назначения мощностью до 300...400 кВт их выполня­ют заливкой пазов алюминием или его сплавами, причем одновре­менно со стержнями обмотки отливают замыкающие кольца с вентиляционными лопатками. В ряде конструкций двигателей этой мощности и во всех двигателях большей мощности обмотку роторов изготовляют из вставных стержней, в подавляю­щем большинстве случаев — медных. К выступающим из пазов кон­цам стержней припаивают или приваривают замыкающие кольца.

Технология изготовления роторов с короткозамкнутой обмот­кой значительно проще, чем фазных. Кроме того, в связи с отсутст­вием изоляции, контактных колец, скользящих контактов и пуско­вых реостатов уменьшаются габариты и стоимость двигателей, повышается их надежность и упрощаются техническое обслуживание и эксплуатация. Поэтому большинство современных асинхрон­ных двигателей выполняют с короткозамкнутыми роторами. Одним из недостатков асинхронных двигателей с короткозамкнутыми ро­торами является невозможность включить в цепь ротора во время пуска реостат для увеличения пускового момента и снижения тока. При проектировании двигателей с короткозамкнутыми роторами направленным выбором параметров ограничивают пусковой ток до 6—7-кратного по сравнению с номинальным, а для повышения пус­ковых моментов используют эффект вытеснения тока в стержнях об­мотки ротора. Он заключается в неравномерном распределении плотности тока по поперечному сечению стержня. Под действием эффекта вытеснения плотность тока в ближайшей к дну паза части каждого стержня уменьшается, а в верхней возрастает. Неравномер­ность распределения плотности тока вызывает увеличение электри­ческих потерь в обмотке, эквивалентное увеличению ее активного сопротивления, и пусковой момент двигателя возрастает.

Действие эффекта вытеснения тока проявляется в большей степе­ни при большей частоте тока, поэтому в двигательном режиме наи­большая неравномерность распределения плотности тока по сече­нию стержня наблюдается при s = 1, когда . При этом же скольжении будет и наибольшее эквивалентное сопротивление об­мотки ротора, вызывающее увеличение пускового момента. При разгоне двигателя частота тока в роторе уменьшается () и со­ответственно уменьшается сопротивление обмотки. В режимах, близких к номинальному, частота тока в роторе мала, эффект вы­теснения тока практически не проявляется и плотность тока одина­кова по всему сечению стержней ротора.

Увеличение эквивалентного сопротивления под действием эф­фекта вытеснения тока проявляется в большей степени в стержнях, поперечное сечение которых имеет большую высоту или уменьшен­ную площадь верхней части по сравнению с нижней. Поэтому в ро­торах двигателей, предназначенных для работы с тяжелыми услови­ями пуска, делают глубокие прямоугольные пазы (глубокопазные роторы) или стержни обмотки выполняют фигурными. Обмотки ро­торов с фигурными пазами выполняют в большинстве двигателей заливкой алюминием или его сплавами. Это позволяет выполнять конфигурацию пазов с оптимальными размерными соотношениями стержней для достижения требуемого действия эффекта вытеснения тока.