Устройство и области применения асинхронных машин

Асинхронная машина - это электромеханический преобразователь, ротор которого вращается несинхронно с полем статора. Основными конструктивными элементами асин­хронной машины являются статор и ротор (рис. 4.1).

Сердечник статора 1 закрепляется в корпусе 2, называемом станиной, а сердечник ро­тора 3 устанавливается на валу 4. Вал вращается в подшипниках S, расположенных в под­шипниковых щитах б. Сердечники статора и ротора собираются из отдельных изолирован­ных листов электротехнической стали (шихтуются). На внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются обмотки. Обмотка ста­тора 7 обычно выполняется трехфазной и включается в сеть переменного тока. Обмотка ро­тора может быть двух типов: фазная 8 и короткозамкнутая 9. Фазная обмотка выполняется аналогично обмотке статора. Концы такой обмотки выводятся с помощью контактных колец 10 и щеток 11 наружу (рис. 4.1, а). К контактным кольцам присоединяется пусковой или ре­гулировочный реостат. Возможно также подключение обмотки ротора к сети через преобразователь частоты.

Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки. Медные или алюминиевые стержни клетки находятся в пазах, а по торцам эти стержни замыкаются коль­цами 12 (рис. 4.1, б).

Рис.4.1

Режим работы асинхронной машины зависит от относительной частоты вращения ро­тора, называемой скольжением,

где n₁ - частота вращения поля статора (синхронная частота); n - частота вращения ротора. Существует четыре режима работы асинхронной машины (см. таблицу).

Режимы работы асинхронной машины

Рис.4.2

При 1 > s > 0 магнитное поля статора, вращаясь относительно ротора, наводят в обмотке ротора ЭДС е₂ направление которой показано на рис. 4.2а. Под действием этой ЭДС в короткозамкнутой обмотке ротор потечет ток, сдвинутый относительно ЭДС на некоторый угол.

Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с ЭДС и силы, обусловленные этой составляющей, будут действовать на стержни ротора в направлении вращения поля. Машина работает в режиме двигателя. Результирующий электромагнитный момент от реактивной составляющей тока ротора равен нулю.

Для получения генераторного режима необходимо увеличить частоту вращения ротора выше синхронной. При этом направление ЭДС и активных составляющих токов в стержнях меняется

на противоположное, а следовательно, меняется и направление действия сил (рис. 4.2, б).

В режиме электромагнитного тормоза ротор вращается в противоположном
направлении по отношению к полю. Возникающий момент будет действовать против
направления вращения ротора. При этом электрическая и механическая энергия преобразуются в машине в тепло. Данный режим используется для быстрого останова
асинхронного двигателя.

Трансформаторный режим имеет место, когда ротор неподвижен (s = 1). Этот режим используется в асинхронных машинах с фазным ротором для получения регулируемого по амплитуде или фазе напряжения.

Наибольшее распространение получил двигательный режим работы асинхронной машины. Асинхронные двигатели являются основным типом электрических двигателей, применяемых в современных технологических процессах. Электротехническая промышлен­ность выпускает асинхронные двигатели в большом диапазоне мощностей - от нескольких десятков мегаватт, применяемых для привода насосов и компрессоров, до нескольких ватт, применяемых в системах автоматики.

Наиболее широкое распространение получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте и невысокой стоимости. Но эти двигатели имеют и недостатки: трудность регулирования частоты вращения и большой пусковой ток.

Асинхронные двигатели с фазным ротором лишены этих недостатков. Но это достигается ценой усложнения конструкции ротора, что приводит к заметному удорожанию двигателя и снижению его надежности. Поэтому асинхронные двигатели с фазным ротором применяются лишь при тяжелых условиях пуска, а также в электроприводах, где требуется регулирование частоты вращения.

В генераторном режиме асинхронные машины используются редко, так как для своей работы они требуют реактивную мощность. В сетях, где имеется избыток реактивной мощности, установка асинхронного генератора может дать ощутимый экономический эффект по сравнению с синхронным генератором.