Краткий исторический обзор
Изобретенный М. О. Доливо-Добровольским трехфазный асинхронный двигатель начал быстро и широко входить в промышленность всех технически развитых стран. Но эксплуатация этого двигателя показала, что наряду с весьма ценными качествами, асинхронный двигатель имеет недостатки, к числу которых следует прежде всего отнести затруднения при плавном регулировании скорости вращения ротора и неблагоприятное влияние на коэффициент мощности (cos ф) сети, питающей двигатель.
Разработка способов регулирования скорости вращения привела к созданию: асинхронных коллекторных машин однофазного и трехфазного тока, каскадных соединений асинхронных машин и преобразовательных машинных агрегатов. Асинхронные коллекторные машины переменного тока и каскады не получили широкого распространения в силу некоторых присущих им недостатков. Исключение составляет только коллекторный однофазный двигатель последовательного возбуждения, применяемый на электрических железных дорогах и в бытовых электроприборах.
Преобразовательные агрегаты широко применяются в электроприводах с регулированием скорости в пределах 1 : 2 и больше.
Увеличение cos ф при небольшой мощности двигателей достигается включением в сеть конденсаторов, при средней и большой мощности двигателей — с помощью установки фазокомпенсаторов. Кроме того, были разработаны специальные типы асинхронных двигателей — синхронизированные и компенсированные, которые могут работать при cos ф « 1. Но специальные типы двигателей оказались слишком сложными, а первые два способа дали лишь частичный эффект. Поэтому в области нерегулируемого электропривода получил широкое применение еще в середине 20-х годов синхронный двигатель, который может работать не только с cos ф = 13 но и с так называемым опережающим cos φ, т. е. как вьюченная в сеть емкость.
В начале 20-х годов в ряде отраслей промышленности групповой привод был заменен более эффективным одиночным приводом. Это привело к широкому внедрению в промышленность асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора вместо применявшегося ранее двигателя с фазной обмоткой ротора. Двигатель с коротко- замкнутой обмоткой ротора имеет лучшие рабочие характеристики- (большие значения к. п. д. и cos φ, большая надежность работы и т. д.), но его пусковые характеристики хуже, чем двигателя с фазной обмоткой ротора, и для улучшения этих характеристик были разработаны двигатели с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом ротора.
Чтобы устранить разнотипность асинхронных двигателей, уже в конце 20-х годов в СССР приступили к созданию единых серий машин и прежде всего асинхронных двигателей как машин наиболее массового применения. В 1930—1931 гг. была разработана серия АТ, а затем серия AM мощностью больше -100 кет и серии И2 и АД мелких двигателей (до 10 кет) и серия двигателей МА-200 для мощностей 10—100 кет. Во время Великой Отечественной войны была разработана серия «Урал» и в 1952 г. — единая серия двигателей мощностью от 0,6 кет до 100 кет в двух исполнениях — каплезащищенные (А) и закрытые обдуваемые (АО) и серия АОЛ — двигателей трехфазных и предназначенных для включения в однофазную сеть, мощностью до 0,6 кет.
В настоящее время серия А и АО заменена новой серией А2 и А02. Кроме улучшения энергетических показателей (к. п. д. и cos ф), уменьшения массы и размеров двигателей, новая серия имеет большую шкалу мощностей и соответствие установочных размеров рекомендациям Международной электротехнической комиссии. Основным исполнением двигателей является закрытое обдувание, более удобное и надежное в эксплуатации. Двигатели каплезащищенные А2 выполняются начиная с мощности 13 кет (при скорости вращения 1500 об /мин) номинальные напряжения двигателей 220, 380 и 500 в. Кроме основного исполнения, эти двигатели имеют следующие модификации: а) с повышенным пусковым моментом, б) с повышенным скольжением, в) с повышенным к. п. д. и cos φ для текстильной промышленности, г) с фазной обмоткой ротора. Кроме того, предусмотрен ряд специальных исполнений двигателей: малошумных, встроенных, влагостойких и др. Разработаны также серии двигателей мощностью от 100 до 1000 кет и мощностью свыше 1000 кет.
Большое количество двигателей малой мощности применяется в установках автоматического управления и в счетно-решающих устройствах. К ним относятся трехфазные, двухфазные и однофазные двигатели, управляемое двигатели. Для электропривода бытовых приборов применяются асинхронные двигатели, предназначенные для включения в однофазную сеть.
Конструктивные элементы трехфазного асинхронного двигателя
На рис. 2 и 3 изображены продольные разрезы двигателей с короткозамкнутой и фазной обмоткой ротора.
Рис. 2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора
I — обмотка ротора, г — сердечник ротора, 3 — сердечник статора, 4 — обмотка
статора, 5 — лопасти вентилятора, 6 — коробка зажимов
Независимо от типа двигателя сердечники ротора и статора выполняются из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаковой пленкой, а в двигателях малой мощности слоем окалины, образующейся на поверхности листа.
Рис. 3. Асинхронный двигатель с фазной обмоткой ротора
1 — обмотка ротора, 2 — сердечник ротора, з — сердечник статора, 4 — обмотка статора, 5 — контактные кольца, 6 — коробка зажимов
Рис. 4. Короткозамкнутая обмотка ротора
Пазы статора чаще всего частично открытые. Так выполнена, например, серия А2 двигателей мощностью от 0,6 до 100 кет. Открытые пазы предпочтительнее в двигателях большой мощности повышенного напряжения (3 и 6 кВ). В первом случае применяются всыпные обмотки из круглых проводников (рис. 4), во втором случае обмотка выполняется в форме жестких катушек из проводников прямоугольного сечения. В двигателях первых габаритов, т. е. малой мощности, применяется однослойная обмотка (рис. 5), а в двигателях большей мощности — двухслойная обмотка с укороченным шагом (рис. 10).
Зазор между статором и ротором должен обеспечивать беспрепятственное вращение ротора. В асинхронных двигателях мощностью 1—10 кет зазор б = 0,25—0,35 мм, в двигателях мощностью 250—350 кет 8 = 1,0—1,5 мм. Так как статор и ротор асинхронной машины связаны между собой магнитным потоком, то чем меньше зазор, тем лучше эта связь и легче получить двигатель с хорошими характеристиками. Простейшим видом обмотки ротора является обмотка в форме беличьей клетки (рис. 4). В настоящее время такая обмотка осуществляется путем заливки пазов ротора алюминием; пазы в этом случае выполняются закрытыми (рис. 5). Мостик i, перекрывающий паз сверху, имеет толщину 0,4—0,5 мм. Одновременно с заливкой пазов отливаются кольца, замыкающие стержни с торцов ротора и лопасти вентилятора (рис. 4).
Пазы двигателей глубокопазного и с двойной беличьей клеткой показаны на рис. 9, а, б и 12, а.
Рис. 5. Закрытый паз ротора
В двигателях с фазной обмоткой ротора чаще всего применяются частично открытые пазы. В пазы укладывается обычно трехфазная обмотка, которая соединяется звездой или треугольником и выводится к трем контактным кольцам 5, расположенным на валу двигателя (рис. 3). В двигателях средней и большой мощности применяется двухслойная стержневая волновая обмотка. Предварительно изолированные стержни заводят в паз с торцевой стороны ротора и соединяют их между собой по соответствующей схеме (рис. 11).
Контактные кольца с наложенными на них щетками служат для включения реостата в цепь ротора. Для уменьшения износа щеток и потерь от трения колец о щетки асинхронные двигатели средней и большой мощности снабжались особым щеткоподъемным приспособлением, которое позволяло по окончании пуска замкнуть накоротко кольца и приподнять над кольцами щетки. Помимо конструктивного осложнения двигателя, это приспособление оказалось ненадежным в эксплуатации. Поэтому в разработанной в последнее время единой серии асинхронных двигателей мощностью от 100 до 1000 кет все двигатели с фазной обмоткой ротора выполняются с постоянно налегающими щетками.
Весьма важным является вопрос об охлаждении асинхронных двигателей. В брызгозащищенных двигателях единой серии А2 мощностью от 0,6 до 100 кет применена радиальная двусторонняя система вентиляции (рис. 3) вместо ранее применявшейся осевой системы. На рис. 2 показаны лопасти 5 вентиляторов, отливаемых одновременно с заливкой пазов ротора алюминием. Закрытые обдуваемые двигатели (АО) выполняются с двумя вентиляторами, один из которых служит для обдува наружной поверхности двигателя, а другой — для циркуляции воздуха внутри двигателя; с этой целью в сердечнике ротора предусмотрены осевые вентиляционные каналы, а в станине продольные каналы, соединяющие правую и левую половины двигателя.
