Електродвигуни. асинхронні двигуни
Асинхронними двигунами називаються електричні машини, що мають принаймні дві обмотки, в яких змінні напруги зсунуті по фазі відносно один одного.
В асинхронних системах з'являється можливість створити в механічно нерухомому пристрої обертове магнітне поле. Котушка, підключена до джерела змінного струму, утворює пульсуюче магнітне поле, т. Е. Магнітне поле, яке змінюється за значенням і напрямку.
Мал. 16.6. Підключення котушок двигуна до джерела трифазного напруги
Мал. 16.7. Графік зміни струмів трифазної системи
У циліндрі з внутрішнім діаметром D розміщують на поверхні три котушки, просторово зміщені відносно один одного на 120 °. Котушки підключені до джерела трифазного напруги (рис, 16.6). На рис. 16.7 показаний графік зміни миттєвих струмів, що утворюють трифазну систему.
Кожна з котушок створює пульсуюче магнітне поле. Магнітні поля котушок, взаємодіючи один з одним, утворюють результуючий обертове магнітне поле, що характеризується вектором результуючої магнітної індукції.
На рис. 16.8 зображені вектори магнітної індукції кожної фази і результуючий вектор, побудовані для трьох моментів часу t1. t2. t3. Позитивні напрямки осей котушок позначені +1, +2, +3.
У момент t = t1 струм і магнітна індукція в котушці А-Х позитивні і максимальні, в котушках B-Y і C-Z - однакові і негативні. Вектор результуючої магнітної індукції дорівнює геометричній сумі векторів магнітних індукції котушок і збігається з віссю котушки А-Х. У момент t = t2 струми в котушках А-Х і C-Z однакові за величиною і протилежні за напрямком. Струм в фазі В дорівнює нулю. Результуючий вектор магнітної індукції повернувся за годинниковою стрілкою на 30 °.
Мал. 16.8. Вектори магнітної індукції для трьох моментів часу
У момент t = t3 струми в котушках А-Х і B-Y однакові за величиною і позитивні, ток в фазі C-Z максимальний і негативний, вектор результуючого магнітного поля розміщується в негативному напрямку осі котушки C-Z. За період змінного струму вектор результуючого магнітного поля повернеться на 360 °. Лінійна швидкість переміщення вектора магнітної індукції
де - частота змінної напруги; Т - період синусоїдального струму; пг - частота обертання магнітного поля або синхронна частота обертання. За період Т магнітне поле переміщається на відстань де
- полюсное розподіл або відстань між полюсами магнітного
поля по довжині кола циліндра діаметром D.
Лінійна швидкість звідки
де n1 - синхронна частота обертання багатополюсного магнітного поля з числом пар полюсів Р.
Котушки, зображені на рис. 16.6, створюють двухполюсное магнітне поле, з числом полюсів 2Р = 2. Частота обертання поля дорівнює 3000 об / хв. Щоб отримати чотириполюсні магнітне поле, необхідно всередині циліндра діаметром D помістити шість котушок, по дві на кожну фазу. Тоді, відповідно до формули (16.7), магнітне поле буде обертатися в два рази повільніше, з n1 = 1500 об / хв.
Щоб отримати обертове магнітне поле, необхідно виконати дві умови:
- Умова 1 - мати хоча б дві просторово зміщені котушки.
- Умова 2 - підключити до котушок незбіжні по фазі струми.
Асинхронний двигун має нерухому частину, іменовану статором, і обертову частину, яка називається ротором. У статорі розміщена обмотка, що створює обертове магнітне поле. Розрізняють асинхронні двигуни з короткозамкненим та фазним ротором. У пазах ротора з короткозамкненою обмоткою розміщені алюмінієві або мідні стрижні. По торцях стрижні замкнуті алюмінієвими або мідними кільцями. Статор і ротор набирають з листів електротехнічної сталі, щоб зменшити втрати на вихрові струми. Фазний ротор має трифазну обмотку (для трифазного двигуна). Кінці фаз з'єднані в загальний вузол, а початку виведені до трьох контактних кілець, розміщених на валу. На кільця накладають нерухомі контактні щітки. До щіток підключають пусковий реостат. Після пуску двигуна опір пускового реостата плавно зменшують до нуля.
Принцип дії асинхронного двигуна
Принцип дії асинхронного двигуна розглянемо на моделі, зображеної на рис. 16.9.
Обертове магнітне поле статора представимо у вигляді постійного магніту, що обертається з синхронною частотою обертання щ. У провідниках замкнутої обмотки ротора индуктируются струми. Полюси магніту переміщаються за годинниковою стрілкою. Спостерігачеві, що розмістився на обертовому магніті, здається, що магніт нерухомий, а провідники роторної обмотки переміщуються проти годинникової стрілки. Напрямки роторних струмів, визначені за правилом правої руки, вказані на рис. 16.9.
Мал. 16.9. Модель асинхронного двигуна
Користуючись правилом лівої руки, знайдемо напрямок електромагнітних сил, що діють на ротор і змушують його обертатися. Ротор двигуна буде обертатися з частотою обертання n1 в напрямку обертання поля статора. Ротор обертається асинхронно, т. Е. Частота його обертання n2 менше частоти обертання поля статора w. Відносна різниця швидкостей поля статора і ротора називається ковзанням:
Ковзання не може бути рівним нулю, так як при однакових швидкостях поля і ротора припинилося б наведення струмів в роторі і, отже, був відсутній б електромагнітний момент, що обертає.
Момент, що обертає електромагнітний момент врівноважується протидіє гальмівним моментом Зі збільшенням навантаження на валу двигуна гальмівний момент стає більше крутного, і ковзання збільшується. Внаслідок цього зростають индуктироваться в роторної обмотці ЕРС і струми. Момент, що обертає збільшується і стає рівним гальмівним моментом. Момент, що обертає може зростати зі збільшенням ковзання до певного максимального значення, після чого при подальшому збільшенні гальмівного моменту, що обертає момент різко зменшується, і двигун зупиняється.
Якщо ковзання загальмованого двигуна дорівнює одиниці, то кажуть, що двигун працює в режимі короткого замикання. Частота обертання ненагруженного асинхронного двигуна n2 приблизно дорівнює синхронної частоті n1.
Якщо ковзання ненагруженного двигуна S = 0, то говорять, що двигун працює в режимі холостого ходу.
Ковзання асинхронної машини, що працює в режимі двигуна, змінюється від нуля до одиниці. Асинхронна машина може працювати в режимі генератора. Для цього її ротор необхідно обертати стороннім двигуном в напрямку обертання магнітного поля статора з частотою n2> n1. Ковзання асинхронного генератора S <0.
Асинхронна машина може працювати в режимі електромашинного гальма. Для цього необхідно її ротор обертати в напрямку, протилежному напрямку обертання магнітного поля статора. В цьому режимі S> 1.
Як правило, асинхронні машини використовуються в режимі двигуна. Асинхронний двигун є найбільш поширеним в промисловості типом двигуна. Частота обертання поля в асинхронному двигуні жорстко пов'язана з частотою мережі f1 і числом пар полюсів статора.
При частоті f1 = 50 Гц існує наступний ряд частот обертання (Р - n1. Об / хв):
З формули (16.7) отримаємо
Швидкість поля статора щодо ротора називається швидкістю ковзання
Частота струму і ЕРС в роторної обмотці
Асинхронна машина з загальмованим ротором працює як трансформатор. Основний магнітний потік індукує в обмотки і в нерухомій роторної обмотках ЕРС Е1 і Е2K:
де Фm - максимальне значення основного магнітного потоку, зчепленого зі обмотки і роторної обмотками; W1 і W2 - числа витків обмотки і роторної обмоток; - частота напруги в мережі; К01 і К02 - обмотувальні коефіцієнти обмотки і роторної обмоток.
Щоб отримати більш сприятливий розподіл магнітної індукції в повітряному проміжку між статором і ротором, статорні і роторні обмотки не зосереджується в межах одного полюса, а розподіляють по колах статора і ротора. ЕРС розподіленої обмотки менше ЕРС зосередженої обмотки. Цей факт враховується введенням в формули, що визначають величини електрорухомий сил обмоток, обмотувальних коефіцієнтів. Величини обмотувальних коефіцієнтів дещо менше одиниці. ЕРС в обмотці ротора
Струм ротора працюючої машини
де R2 - активний опір роторної обмотки; х2 - індуктивний опір роторної обмотки,
, де x2K - індуктивний опір загальмованого ротора. тоді
Однофазний двигун має одну обмотку, розташовану на статорі. Однофазна обмотка, що живиться змінним струмом, створить пульсуюче магнітне поле. Помістимо в це поле ротор з короткозамкненою обмоткою. Ротор обертатися не буде. Якщо розкрутити ротор сторонньої механічної силою в будь-яку сторону, двигун буде стійко працювати. Пояснити це можна в такий спосіб.
Пульсуюче магнітне поле можна замінити двома магнітними полями, що обертаються в протилежних напрямках з синхронною частотою п1 і мають амплітуди магнітних потоків, рівні половині амплітуди магнітного потоку пульсуючого поля. Одне з магнітних полів називається прямовращающімся, інше - обратновращающімся. Кожне з магнітних полів индуктирует в роторної обмотці вихрові струми. При взаємодії вихрових струмів з магнітними полями утворюються обертаючі моменти, спрямовані зустрічно один одному. На рис. 16.10 зображено залежність моменту від прямого поля М ', моменту від зворотного поля М "і результуючого моменту М в функції ковзання М = М' - М".
Мал. 16.10. Залежність моменту прямого поля, зворотного поля і результуючого моменту від ковзання
Осі ковзань спрямовані зустрічно один одному. У пусковому режимі на ротор діють обертаючі моменти, однакові за величиною і протилежні за напрямком. Розкрутимо ротор сторонньої силою в напрямку прямовращающегося магнітного поля. З'явиться надлишковий (результуючий) крутний момент, що розганяє ротор до швидкості, близької до синхронної. При цьому ковзання двигуна щодо прямовращающегося магнітного поля
Ковзання двигуна щодо обратновращающегося магнітного поля
Розглядаючи результуючу характеристику, можна зробити наступні висновки.
Висновок 1. Однофазний двигун не має пускового моменту. Він буде обертатися в ту сторону, в яку розкручений зовнішньою силою.
Висновок 2. Через гальмівного дії обратновращающегося поля характеристики однофазного двигуна гірше, ніж трифазного.
Для створення пускового моменту однофазні двигуни постачають пусковою обмоткою, просторово зміщеною щодо основної, робочої обмотки на 90 °. Пускова обмотка підключається до мережі через фазосдвигающие елементи: конденсатор або активний опір.
На рис, 16.11 показана схема включення обмоток двигуна, де Р - робоча обмотка, П - пускова обмотка. Ємність фазосдвигающей елемента З підбирають таким чином, щоб струми в робочій і пусковий обмотках розрізнялися по фазі на 90 °. Трифазний асинхронний двигун може працювати від однофазної мережі, якщо підключити його обмотки за такими схемами (рис. 16.12).
У схемі, зображеної на рис. 16.12, а статорні обмотки з'єднані зіркою, а в схемі на рис. 16.12, б - трикутником. Величина ємності С
60 мкФ на 1 кВт потужності.
Мал. 16.11. Схема включення обмоток однофазного двигуна
Мал. 16.12. Схеми включення обмоток трифазного двигуна на одну фазу: а - перший варіант; б - другий варіант