Электрические машины - Асинхронные машины

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 5, расположенных в подшипниковых щитах 6. 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).
Режим работы асинхронной машины зависит от относительной частоты вращения ротора, называемой скольжением,
,
где - частота вращения поля статора (синхронная частота); n - частота вращения ротора.
Существует четыре режима работы асинхронной машины (см. таблицу).

Таблица
Режимы работы асинхронной машины

При магнитное поле статора, вращаясь относительно ротора, наводит в обмотке ротора ЭДС , направление которой показано на рис. 4.2, а. Под действием этой ЭДС в короткозамкнутой обмотке ротора 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 (). 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 промышлен-ность 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.