Главная | Обратная связь

Принцип роботи асинхронного двигуна

Спочатку припустимо, що ротор двигуна знаходиться в стані спокою. Після підключення обмотки статора трифазного асинхронного електродвигуна до мережі виникає обертове поле. Постійний, але обертовий потік Ф, показаний на рис.1, пронизує сталевий сердечник статора, повітряний зазор і сталевий сердечник ротора двополюсного асинхронного електродвигуна, причому обертається з синхронною частотою n. Як і в трансформаторі, дві обмотки асинхронного двигуна зв'язуються між собою магнітним потоком Ф. Через зрощення постійного потоку тут досягається такий же ефект, як при змінному потоці у трансформаторі. Электродвигатели асинхронные, на відміну від трансформатора, має маленький повітряний зазор (між статором і ротором) і тому струм холостого ходу більше, але він нічого не змінює в принципі роботи асинхронної електричної машини.

Рис.1. Двополюсний трифазний асинхронний двигун

Обертове поле наводить в обмотці ротора асинхронного електродвигуна ЕРС з частотою f₂, яка дорівнює в стані спокою частоті струму в мережі, тобто f₂ = f. Ці ЕРС можуть бути виміряні в двигуні з контактними кільцями при нерухомому роторі.

ЕРС викликають у короткозамкненою обмотці ротора струми, які, взаємодіючи з магнітним полем, є причиною виникнення електричних сил і обумовлюють появу моменту обертання ротора. Цей момент обертання має те ж саме напрям, що і обертове поле, захоплює ротор асинхронного електродвигуна в цьому напрямку обертання і створює його прискорення.

При обертанні ротора - у момент розбігу з дедалі більшою частотою обертання - відносна швидкість в порівнянні зі швидкістю обертового поля поступово знижується. Однак ротор електродвигуна не може досягти синхронної частоти обертання поля, так як в цьому випадку в обмотці ротора на наводилися б ЕРС, не було б струму і не створювався би момент обертання. У режимі холостого ходу асинхронний електродвигун має частоту обертання ротора n, лише незначно отклоняющуюся від синхронної частоти обертання n_c з-за тертя. Різниця між відносними частотами обертання n_c - n називається ковзанням двигуна s, тобто s = 1 - (n / n_c) або у відсотках s = 100 * (1 - (n / n_c) )%

Таким чином, частота обертання при відомому ковзанні визначається виразом n = n_c(1-s)

У стані спокою при n = 0 згідно ковзання s = 1; при синхронному обертанні s = 0

57. Механічна потужність, що розвивається ротором, може бути виражена так:

де m₂ - число фаз обмотки ротора;
E₂ - ЕРС, індукована в кожній фазі обмотки ротора;
I₂ - струм фази ротора;
- кут зсуву фаз між фазним струмом ротора і його ЕРС.

ЕРС, індукована у фазі обмотки ротора, може бути знайдена по формулі:

де k₂ - обмоточний коефіцієнт, що враховує зменшення ЕРС, внаслідок геометричного додавання ЕРС і скорочення кроку обмотки ротора;
f₂ - частота струму у роторі;
w₂ - число витків фази обмотки ротора;
Ф- магнітний потік.

З іншого боку потужність Р₂ при обертальному русі рівна величині обертаючого моменту М, помноженого на кутову швидкість ротора:

Таким чином

звідки

де

Отже, обертаючий момент асинхронного двигуна пропорційний струмові ротора, магнітному потоку і косинусу кута зсуву фаз між струмом ротора і його ЕРС.
Потужність, що розвивається обертаючим магнітним потоком, називається електромагнітною потужністю і може бути виражена так:

Різниця P₁ - Р₂ являє собою електричні втрати в обмотці ротора, якщо нехтувати втратами в сталі ротора, оскільки вони незначні:

Підставляючи в ці рівняння значення P₁ і Р₂ і знаючи, що

або

отримаємо

Отже, втрати в міді обмотки ротора пропорційні ковзанню ротора.
Подивимося, який зв'язок існує між величиною обертаючого моменту і втратами в обмотці ротора. Згідно з попереднім записом:

або

Останній вираз показує, що обертаючий момент асинхронного двигуна пропорційний джоулевим втратам у обмотці ротора.

З цього випливає, що якщо нам необхідно збільшити обертаючий момент двигуна (тільки до певної межі), потрібно включити в коло ротора додатковий опір певної величини. Встановимо залежність між величиною обертаючого моменту і напругою, що підводиться до статора двигуна.

Вище було знайдено вираз для обертаючого моменту:

Магнітний потік Ф залежить від намагнічувальної сили F і магнітного опору R_m :

Намагнічувальна сила в свою чергу рівна:

де m₁ - число фаз обмотки статора,
w₁ - число витків обмотки статора,
k₁ - обмоточний коефіцієнт обмотки статора, який визначається аналогічно обмоточному коефіцієнту обмотки ротора.
Наведений вище вираз для намагнічувальної сили, справедливий за умови, що коло обмотки ротора розімкнене. Якщо ж по ньому проходить струм, то воно також братиме участь в утворенні магнітного потоку. В цьому випадку результуюча намагнічувальна сила, буде рівна геометричній сумі намагнічувальних сил обмоток статора і ротора.
Позначивши

отримаємо

Струм в кожній, фазі статора рівний:

Нехтуючи спадом напруги в обмотці статора (E₁=U), отримаємо:

тоді

де

Таким чином магнітний потік буде рівний:

тобто магнітний потік обмотки статора пропорційний напрузі мережі.
Вище для ЕРС, індукованої в обмотці ротора, було знайдено:

Струм ротора буде

aбо

Але оскільки

то

Остаточно для обертаючого моменту двигуна маємо:

aбо .

Останній вираз вказує на те, що момент обертання асинхронного двигуна пропорційний квадрату напруги на затисках двигуна, якщо стале ковзання s, від якого, як можна встановити при докладнішому дослідженні, залежать z₂ i .
Зменшення магнітного потоку викликає зменшення обертаючого моменту двигуна.

Під час роботи двигуну доводиться долати момент опору механізму, який двигун приводить в обертання (верстата, вентилятора і т. п.). При цьому при сталій швидкості обертання момент обертання двигуна повинен бути рівний моменту опору механізму.
Розглянемо випадок, коли асинхронний двигун приводить в обертання токарний верстат. Нехай робочий-токар включає двигун і різець починає знімати стружку з виробу. Якщо різець знімає стружку певного перерізу то при цьому число оборотів ротора двигуна стале.
Якщо різець починає знімати більшу стружку, то момент опору з боку верстата збільшується. Двигун, який ще має попередній момент обертання, почне зменшувати свою швидкість. При цьому ротор двигуна, втрачаючи обороти, починає частіше перетинатися обертовим магнітним полем статора. У обмотках ротора індукуватиметься більший струм. Двигун при новому збільшеному струмі ротора, що взаємодіє з полем статора, створить збільшений обертаючий момент, який буде рівний збільшеному моменту опору верстата.
Навпаки, якщо різець почне знімати меншу стружку з виробу, то момент опору верстата зменшиться. Тоді момент обертання двигуна на якийсь час стане більшим моменту опору верстата, і двигун почне збільшувати свою швидкість. При цьому частота перетину обмотки ротора обертовим магнітним полем зменшуватиметься. Відповідно зменшуватиметься струм ротора, а разом з ним і обертовий момент двигуна, до тих пір, поки момент двигуна знову не стане рівним моменту опору верстата.

При пуску асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором бере з мережі пусковий струм в 5-7 разів більший, ніж струм, який споживає двигун при нормальному навантаженні (номінальний струм). Двигуни такого типу великої потужності беруть дуже великі пускові струми, що викликає великий спад напруги в мережі.

При невеликій потужності електростанції можна включати безпосередньо в мережу асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором потужністю лише до 3-5 кВт. Із зростанням потужностей електростанцій в мережу включаються безпосередньо короткозамкнуті двигуни потужністю до 100 кВт і вище.

58.

59.

60. Однофазний асинхронний двигун з екранованими полюсами (рис. 2.15) складається з шихтованого статора 1, на явно виражених полюсах 3 якого розташовується однофазна обмотка у вигляді послідовно з’єднаних катушок 2, і короткозамкненого ротора 5. Кожний полюс двигуна поділяється на дві нерівні частини повздовжним пазом. Як правило, меншу частину полюса займає мідний короткозамкнений виток 4 (екран).

Для створення в двигунах обертового магнітного поля необхідна наявність не менше двох магнітних потоків, зсунутих в часі і просторі. В розглядаючому двигуні ця задача вирішена слідуючим чином.

При ввімкненні обмотки статора в мережу з’являється струм, який створює магнітний потік (рис 2.16, а). Одна частина цього потоку проходить по неекранованій частині полюса, а інша – по екранованій.

Рис 2.16 Обмотка статора та магнітний потік

Потік в короткозамкненому витку (екрані) ЕРС і струм, який створює своє магнітне поле , напрямлене назустріч потоку . Результуючий потік екранованої частини полюса являється, таким чином, сумою магнітних потоків:

_{. (2.13)}

Для визначення кута зсуву між потоком неекранованої частоти і потоком екранованої частини полюса звернемося до векторної діаграми (рис. 2.16, б). На ній побудовано вектор , під кутом 90⁰до якого проведено вектор ЕРС Е_к , наведеної . Струм короткозамкненого витка відстає по фазі від ЕРС на кут j_к через наявність індуктивності витка.

Згідно (2.13) потік

_.

Потік неекранованої частини полюса співпадає по фазі з потоком , але перевищує його по величині, так як магнітний опір неекранованої частини полюса менше магнітного опору екранованої частини. З побудови випливає, що магнітний потік зсунутий в часі відносно на деякий кут b. Ці потоки мають також і просторовий зсув відносно один одного на кут q (див. рис. 2.16).

Наявність зсувів у просторі і часі вказаних магнітних потоків забезпечує створення обертового магнітного поля. Але внаслідок нерівності потоків, а також часового b та просторового q кутів зсуву 90⁰обертове магнітне поле двигуна являється еліптичним. Через це пусковий момент, двигуна що розглядається, невеликий. Для деякого покращення магнітного поля повітряний проміжок під неекранованою частиною полюса частково збільшують (d₂>d₁) (див. рис. 2.17, а). З цією ж метою в деяких двигунах між полюсними наконечниками розташовують магнітні шунтиу вигляді стальних пластин, що дозволяє збільшити потік екранованої частини полюса.

Але не дивлячись на проведені міроприємства, кратність пускового моменту двигунів з екранованими полюсами, як правило, М_пуск/М_ном£0,6. Щоб збільшити пусковий момент, іноді на полюсах встановлюють не один, а декілька екрануючих витків різної ширини.

Двигуни з екранованими полюсами нереверсивні: ротор обертається лише в одному напрямку – від неекранованої частини полюса до екранованої. Для отримання обертання в різні сторони у деяких двигунах виводять обидва кінці валу, тобто обидва кінці роблять робочими.

Робочі властивості більшості двигунів з екранованими полюсами характеризуються коефіцієнтом корисної дії h=10¸40%, коефіцієнтом потужності cosj₁=0,4¸0,6 і перевантажувальною властивістю М_max/М_ном=1,1¸1,3. Низька перевантажувальна властивість двигуна пояснюється тим, що найбільше значення h відповідає моменту, близькому до максимального. Тому для кращого використання двигуна доцільно за номінальний момент двигуна прийняти момент, близький до максимального.

Наявність короткозамкнених витків на полюсах двигуна викликає значні електричні втрати, величина яких не залежить від навантаження. При зміні навантаження від нуля (в режимі холостого ходу) до номінальної сума втрат в двигуні підвищується не більше ніж на 50 %. Завдяки цій властивості двигун з екранованими полюсами може знаходитися довгий час в режимі короткого замикання (обмотка статора ввімкнена в мережу, а ротор нерухомий), що зручно в ряді випадків експлуатації двигуна.

Двигуни з екранованими полюсами виготовляються на потужності від долей вата до декількох сотень ват при частоті 50 Гц і напрузі 115 – 127 В. Ці двигуни використовуються для приводу магнітофонів, стрічкопротяжних механізмів, а також в побутових пристроях (настільних вентиляторах, електропрогравачах та ін.).

61.1. Поняття синхронних машин

Як і усі електричні машини, синхронна машина обернена і мо­же широко використовуватися у промисловості як генератори та двигу­ни переважно великої потужності. Синхронні машини належать до кла­су машин змінного струму. Частота обертання ротора синхронної машини дорівнює частоті обертового магнітного поля, тобто nt = и2> 5=0.

Синхронна машина складається із статора і ротора (рис. 1). Конструкція статора принципово не відрізняється від конструкції стартера асинхронного двигуна. Тобто у ших­тованому осерді розташована трифазна об­мотка статора. Ротор синхронної машини являє собою електромагніт, обмотка якого живиться від джерела постійного струму.

Ротор синхронної машини буває двох типів:

— явнополюсний;

— неявнополюсний.

Рис.1

Явнополюсний ротор (рис. 1) вико­ристовується здебільшого у тихохідних синхронних машинах. Обмотка ротора при­єднується до контактних кілець і за допо­могою щіток на неї подається постійна на­пруга. У машинах з великою швидкістю обертання (турбогенераторах, газогенератоpax) застосовується неявнополюсний ротор.

Рис.2

На рис. 2 наведено схему неявнополюсного ротора з однією парою полюсів. У багатополюсних роторах полюси чергуються по колу. Обмотка ротора збуджує постійний магнітний потік і називається обмоткою збудження.

У генераторному режиміобмотка збудження вмикається на постійну напругу. Магнітне поле ротора обертається разом з ротором і перетинає трифазну обмотку статора. У фазах індукується ЕРС

E = 4,44 fwkФm

де w — число витків,

k — обмотковий коефіцієнт. Частота індукованої ЕРС

У режимі двигуна, крім постійної напруги, що подається на обмотку збудження, подається також трифазна синусоїдна напруга на обмотку статора. Обмотка збуджує обертове магнітне поле, яке захоплює у синхронному обертанні поле ротора й сам ротор. Тобто ротор обер­тається з частотою обертання магнітного поля (синхронною частотою)