Асинхронные машины - наиболее распространенные электрические машины. Особенно широко они используются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время асинхронные двигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели напряжением до 1000 В. В СССР их установленная мощность составляет около 300 млн. кВт. В табл. В.1 приведено распределение асинхронных двигателей различной мощности в народном хозяйстве СССР на начало 80-х годов и данные о потреблении ими электроэнергии.

Таблица В.1

При этом машины мощностью от 0,75 до 100 кВт потребляют более 90% от общего потребления электроэнергии асинхронными двигателями.

Примерное распределение асинхронных двигателей по механизмам приведено в табл. В.2.

Открытие асинхронных машин относится к 80-м годам прошлого столетия. Их создание связывают с именами итальянского ученого Г. Феррариса, югославского ученого Н. Тесла и русского ученого М. О. Доливо-Добровольского. Г. Феррарис и Н. Тесла независимо друг от друга в 1888 г. предложили способ получения вращающегося магнитного поля при двухфазном токе и создали

Таблица В.2

первые асинхронные машины. Двигатель Г. Феррариса имел медный сплошной ротор, сосредоточенную двухфазную обмотку на статоре и развивал мощность в несколько ватт. Двигатель Н. Тесла имел также двухфазную сосредоточенную обмотку на статоре и такую же обмотку на роторе. Однако эти двигатели не получили широкого распространения.

Наибольшую роль в создании асинхронных двигателей сыграл М. О. Доливо-Добровольский. В 1889 г. он впервые использовал трехфазный ток для получения вращающегося магнитного поля, применил на статоре распределенную трехфазную обмотку и обмотку ротора в виде беличьей клетки. Он также предложил трехфазную обмотку ротора, выведенную на контактные кольца, и использовал для пуска двигателя реостат, подключенный к обмотке ротора через контактные кольца.

Почти за 100 лет существования асинхронных двигателей в них совершенствовались применяемые материалы, конструкция отдельных узлов и деталей, технология их изготовления, однако принципиальные конструкторские решения, предложенные М. О. Доливо-Добровольским, в основном остались неизменными.

В дальнейшем большое распространение получили также и однофазные асинхронные двигатели, в основном для электробытовых приборов. Появилось также большое количество разновидностей и модификаций асинхронных машин, в частности асинхронные исполнительные двигатели, тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы и др. Небольшое применение нашли и асинхронные генераторы.

Большой вклад в теорию асинхронных машин внесли советские ученые Б. П. Апаров, М. П. Костенко, Г. Н. Петров, К. И. Шен-фер и др.

В СССР впервые в мировой практике асинхронные двигатели выпускаются едиными всесоюзными сериями. На базе единых серий в нашей стране организовано высокомеханизированное и автоматизированное крупносерийное производство; при этом использованы широкая специализация и кооперация, централизованное изготовление технологической оснастки и инструмента и др.

Большие преимущества имеют единые серии в эксплуатации: они значительно облегчают выбор, установку, обслуживание и ремонт электрооборудования.

Первая единая всесоюзная серия асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт (А, АО) была разработана сразу после Великой Отечественной войны в 1946-1949 гг. В 1958-1960 гг. была разработана вторая серия (А2, А02). К этому времени выпуск асинхронных двигателей в нашей стране возрос в несколько раз, появились новые требования и в 70-е годы была разработана и внедрена новая серия 4А. В ее разработке принимало участие большое количество научно-исследовательских и конструкторских организаций, так как одновременно с конструкцией двигателей разрабатывались электротехническая сталь, провод, изоляция, технология и технологическое оборудование. Одновременно была создана мощная технологическая база, обеспечивающая разработку и изготовление специального технологического оборудования.

В 80-х годах организацией социалистических стран Интер-электро разработана новая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ, предназначенная для использования во всех странах-членах СЭВ. Машины серии АИ, которые производятся во всех этих странах, отличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью, расширенным диапазоном регулирования, лучшими массогабаритными и энергетическими показателями, а также улучшенными виброакустическими характеристиками по сравнению с машинами серии 4А.

В СССР впервые в мире была разработана методика оптимизированного расчета асинхронных двигателей, учитывающая затраты как на производство, так и на эксплуатацию электродвигателей; расчет с помощью электронно-вычислительных машин ведется по минимуму суммарных затрат в народном хозяйстве. В теорию и практику создания единых серий асинхронных двигателей огромный вклад внесли советские ученые и инженеры А. Г. Иосифьян, Б. И. Кузнецов, Э. Д. Кравчик, Э. К. Стрельбицкий, Т. Г. Сорокер, И. Н. Чарахчьян и др.

Опыт разработки и внедрения крупных серий асинхронных двигателей показал необходимость совместной работы расчетчиков, конструкторов и технологов, начиная с момента разработки технического задания на серию. В настоящее время немыслимо проектирование серий каких-либо изделий без глубокой технологической проработки.

Создание высокоэкономичных, высоконадежных асинхронных двигателей единых серий - сложная научно-техническая задача, имеющая большое народнохозяйственное значение.

Общие сведения об асинхронных машинах

в основу принципа действия асинхронной машины положено использование вращающегося магнитного поля, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке ротора. При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение (в двигательном режиме) или осуществляющий его торможение (в тормозных режимах).

1.1. Принцип действия асинхронной машины

Принцип действия асинхронной машины основан на законе электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла и Э. Ленца.

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре / (рис. 1.1, а), а вторую - на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частном случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ соединяют по схеме Y или Л и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазным синусоидальным током трехфазной обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого

(1.1)

и, = 60/,/;;,

где fi - частота питающей сети; р - число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках замкнутой накоротко обмотки ротора ЭДС Ei и по ним проходит ток /а-

На рис. 1.1, а показано (по правилу правой руки) направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше частоты Ль то активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС; при этом условные обозначения (крестики и точки) на рис. 1.1 показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

Рис. 1.1. Электромагнитная схема асинхронной машины и направление ее электромагнитного момента прн работе машины в режимах: двигательном (а), генераторном (б) и электромагнитного торможения (в)

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие рез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем.

Электромагнитный момент, возникающий от взаимодействия магнитного потока Ф и тока ротора /j,

где с - коэффициент пропорциональности; /jcosifz - активная составляющая тока ротора; \J32 - угол сдвига фаз между током /г и ЭДС Ei в обмотке ротора.

Если электромагнитный момент М достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения лг соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным.

Частота вращения ротора 2 всегда отличается от частоты вращения магнитного поля Пи так как в случае совпадения этих