Принцип дії трифазного асинхронного двигуна.

Схема нерухомої частини АД, яку називають статором, подана на рис.1.1. В корпусі статора розміщується осердя статора АД, яке збирається з ізольованих лаком листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 чи 0,5 мм. В пази статора вкладається трифазна обмотка, що складається з трьох однакових однофазних обмоток.

Фазні обмотки (фази) складаються з витків мідного або алюмінієвого дроту, які з'єднуються між собою в "зірку" (умовне позначення Y) або трикутник (Δ). Початки обмоток окремих фаз статора позначають символами С1, С2, СЗ, а кінці відповідно С4, С5, С6. Обмотка кожної фази складаються з котушок, які уявляють собою один або декілька послідовно з'єднаних витків. Виток складають два активні провідника з'єднані послідовно. На рис. 1.1. кожна фазна обмотка (котушка) показана одним витком. Початки С1, С2, СЗ фазних обмоток (витків) відповідними клемами приєднуються до провідників мережі, а кінці С4, С5, С6 з'єднанні в загальну точку. Отримана, таким чином, схема обмотки з'єднана в "зірку". Прямолінійні частини витків, які вкладаються в пази, називаються активними частинами. Частини витків, що виходять за границю осердя, називаються лобовими частинами.

Фазні обмотки являються двохполюсними, оскільки пазові частини витків кожної фази розміщені по діаметру статора, і таким чином утворюють одну пору полюсів.

Як видно з рис.1.1 осі фаз трифазної обмотки зсунуті в просторі одна відносно одної на 360/m = 360/3 = 120° (m – число фаз). При вмиканні обмотки, що зображена на рис. 1.1, до трифазної мережі напруги, в її фазах протікають змінні струми І_А, І_В, І_С, які зсунуті у часі на 120° електричних градусів і змінюються по синусоїдному закону з частотою мережі f = 50 Гц. Вказані струми утворюють у фазних обмотках намагнічуючі сили (ампер-витки) F_A = I_AW, F_В = I_ВW, F_C = I_CW (W – число витків фазних обмоток). Намагнічуючи сили завдяки феромагнітному осердю статора, утворюють великі магнітні індукції В_А, В_В, В_С, і магнітні потоки Ф_А, Ф_В, Ф_С. Останні змінюються за синусоїдним законом зі зсувом у часі на одну третю періоду (120°) змінної напруги мережі, в наслідок чого максимум магнітних потоків перетинають фазні обмотки по черзі, наприклад, в наступній послідовності: фазу А, фазу В, фазу С. В наслідок максимуми магнітного потоку обертаються по колу статора. Таким чином, не зважаючи на те, що магнітне поле кожної фази є пульсуюче з частотою f = 50 Гц, результуюче магнітне поле статора АД обертається з частотою:

, (1.1)

де р – число пар полюсів.

Витки обмоток С1-С4, С2-С5, СЗ-С6, що зображені на рис.1.1, утворюють одну пару полюсів. Звідси частота обертання магнітного поля такої обмотки:

об/хв

 

 

Рис. 1.1. Електромагнітна схема статора асинхронного двигуна

 

Частота n_о називається синхронною частотою обертання магнітного поля АД. Оскільки кількість пар полюсів у різних двигунів може бути від 1 до 6 (р = 1; 2; 3;...6), то синхронна частота обертання магнітного поля АД може мати відповідні значення: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/хв.

Циліндричний ротор АД збирають з ізольованих штампованих листів електротехнічної сталі. В пазах ротора розміщується неізольовані провідники постійно замкненої обмотки. Ротори з таким типом обмоток називають короткозамкнутими. Короткозамкнені ротори мають два конструктивних виконання: з обмоткою з вставних мідних стержнів (рис. 1.2а) і з литою обмоткою (рис. 1.2б). В першому виконанні стержні з'єднують один з іншим мідними замикаючими кільцями. Якщо умовно відкинути стальне осердя ротора, то обмотка стає схожою на клітку, тому такий тип обмотки називають "білячою кліткою" (рис. 1.2а).

Найбільше розповсюдження одержали двигуни, обмотка ротора яких виготовляється шляхом заливки пазів алюмінієм або його сплавами. Одночасно з стержнями обмотки відливаються і короткозамикаючі кільця з вентиляційними лопатками (рис. 1.2б). Таку будову мають майже усі сучасні АД потужністю від 1 до 300...400 кВт. Виготовлення обмотки методом заливки пазів алюмінієм дешевше, більш технологічне і потребує менше затрат робочого часу, ніж виготовлення обмоток з вставних стержнів.

Розглянемо механізм одержання електромагнітного моменту АД. Нехай обмотка статора АД, ротор якого не рухомий, підключається до трифазної мережі змінної напруги. Обертове магнітне поле статора через повітряний проміжок потрапляє в ротор і перетинає провідники обмотки, в зв'язку з чим в кожній обмотці наводиться електрорушійна сила (ЕРС) Е₂, частота якої дорівнює частоті мережі. Під дією ЕРС в замкненій обмотці ротора, завдяки особливо великій різниці в частоті обертання обертового поля відносно нерухомого ротора, виникає досить велика, так звана пускова сила струму І_п = (5...7) I_н.

 

 

 

Рис. 1.2 Короткозамкнуті ротори:

а) зварна "біляча клітка"

1 – стержень; 2 – кільце.

б) лита алюмінієва обмотка

1 – стержень; 2 – паз;

3 – кільце; 4 – осердя ротора;

5 – лопатка для обдуву і охолодження ротора.

 

Взаємодія магнітного поля статора Ф з магнітним потоком, що створений струмом ротора І₂, приводить до виникання електромагнітної сили і обертового моменту, що прикладається до ротора.

М ~ Ф·І₂· соs φ₂, Нм; (1.2)

де φ – кут зсуву по фазі між Е₂ і І₁.

 

Останній починає рухатися в напрямку обертання магнітного поля статора. Якщо обертаючий електромагнітний момент М більший, ніж момент опору М_с на валу двигуна, то частота обертання ротора АД почне зростати і досягне деякого сталого значення n, яке завжди менше від частоти магнітного поля статора. При однакових частотах обертання магнітного поля статора (n₀) і осердя ротора (n) обмотка останнього не перетинається обертовим магнітним полем обмотки статора і в ній не наводиться ЕPC, внаслідок чого АД не розвиває обертового моменту.

Важливим параметром, який використовують для оцінки різноманітних режимів АД, являється відношення:

, (1.3)

де S – ковзання ротора АД;

n₀ – значення обертів обертового магнітного поля;

n – значення обертів ротора АД.

 

Вираз (1.3) вказує на відносну швидкість руху ротора в магнітному полі статора і має назву ковзання асинхронного двигуна. В режимі холостого ходу двигун не знає протидіючих моментів (М_с = 0), а частота обертання ротора наближається до частоти обертання магнітного поля, тобто S ≈ 0.

Якщо ротор двигуна нерухомий (n = 0, a S = 1), то протидіючий момент М_с суттєво перевищує обертовий електромагнітний момент М і двигун знаходиться в режимі короткого замикання, значення струму в якому досягає значення (3...7) І_ном.

Ковзання, яке відповідає номінальному навантаженню двигуна, називається номінальним ковзанням і становить 0,06 – 0,1 (6 – 10%) для АД потужністю від 1 до 100 кВт, причому двигунам меншої потужності відповідає більше ковзання. При такому ковзанні двигун працює стало і розвиває номінальний електромагнітний момент М_н.

Для сталої роботи АД при змінному протидіючому моменту необхідно, щоб номінальний електромагнітний момент був меншим, ніж його максимально можливе значення (М_н < М_мах). В цьому випадку АД буде працювати стійко не тільки при номінальному навантаженні, але буде здатний витримувати деякі перевантаження, тобто мати перевантажувальну здатність, яка вимірюються відношенням максимального моменту М_мах до номінального. Для АД загального застосування:

(1.4)

В теорії електричних машин вирази електромагнітного моменту і струму АД мають наступні вигляди:

, А (1.5)

 

, A (1.6)

де m₁, р – відповідно число фаз і полюсів статорної обмотки;

U₁(B),f₁(Гц) – напруга і частота мережі живлення;

S – ковзання;

r₁,х₁ – активний і індуктивний опір фазних обмоток статора, Ом;

r₂,х₂ – активний і індуктивний опори короткозамкнутої обмотки ротора, приведені до обмотки статора, Ом.

Для АД, що знаходиться в експлуатації, такі параметри як m₁, Р₁, r₁, x₁, r₂, x₂, також ковзання S при номінальному моменті опору і частоті f₁ мережі, можна рахувати величинами сталими. В зв'язку з цим обертаючий момент, буде пропорційним квадрату підведеної до двигуна напруги:

М ~ U², [Н·м] (1.7)

Отже АД дуже чутливий до різного роду змін напруги у мережі живлення. Так, наприклад, при зменшенні напруги на 10% обертаючий електромагнітний момент зменшується вже на 19% (так як нове значення напруги буде дорівнювати 0,9U₁, a нове значення обертаючого моменту відносно номінального буде дорівнювати 0,81М).

З виразу (1.6) видно, що зі зменшенням напруги U₁, пусковий струм також зменшиться, що позитивно впливає на пускові властивості двигуна. Але одночасно викликає, як було вже показано, зменшення пускового моменту.

Одночасне зменшення пускового струму І_п і збільшення електромагнітного моменту досягається шляхом збільшення активного опору кола ротора r₂.

Конструкція асинхронного двигуна (АД)

АД складається з нерухомої частини, під назвою статор і рухомої, під назвою ротор. Статор (рис.1.4.) складається з корпуса (станини) 1, осердя 3 і обмотки 16.

Корпус 1 статора служить для закріплення осердя 3, з обмоткою 16 і підшипникових щитів 6, 10. В теперішній час корпуси невеликих машин виготовляють виробляють литтям із сірих чавунів або із алюмінієвих сплавів, а корпуса великих - із сталевого листового прокату, шляхом його зварювання.

Осердя статора 3 збирають з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 або 0,5 мм, які до збирання покривають з обох боків ізоляційним лаком, що обмежує величину вихрових струмів в сталі осердя. Шихтоване осердя закріплюється у повздовжньому напрямку зварюванням або скобами, яке потім закріпляється до станини стопорними гвинтами, перешкоджаючими його зміщення відносно її поверхні. Обмотка може бути одношарова або двошарова з повним або скороченим роком. Частіше всього статорну обмотку роблять з двома шарами зі скороченим кроком. Кінці обмотки виводять на затискачі текстолітової дошки, що знаходиться в коробці виводів 17, і з'єднують в схему згідно рис.1.3.

 

а) б) в)

 

Рис. 1.3. Схема обмоток і виводів асинхронних двигунів:

а – з'єднання обмоток Δ при шести виводах;

б – з'єднання обмоток Y при шести виводах;

в – з'єднання обмоток Y при трьох виводах;

 

Коробка виводів знаходиться зверху (з боку корпуса) двигуна і при установці може бути повернута в положення, яке більш пригоже для приєднання кабелю живлення через за щільник 18. в верхній частині станини знаходиться укручений такелажний прогонич – 2, який призначається для переміщення і монтажу двигуна.

Ротор АД (рис.1.4) складається з вала, осердя і обмотки. Вал 11 виготовляють з металевого (Сталь 45) круглого прокату. Він має підшипникові опори, одна з яких "плаваюча"(майже завжди зі сторони виступаючого кінця валу), а друга "фіксуюча". Підшипник 9, щовстановлюють в "фіксуючі" опори, сприймає радіальне і осьове навантаження. Підшипник 13, що встановлюють в "плаваючій" опорі, сприймає тільки радіальне навантаження, та має можливість вільного переміщення з метою запобігання заклинювання як при навантаженні, так і в наслідок теплового розширення.

Рис. 1.4. Асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором:

1 – станина; 2 – такелажний болт; 3 – осердя статора;

4, 11 – осердя і вал ротора; 5 – кожух; 6, 10 – підшипникові

щитки; 7 – вентилятор; 8 – балансувальний вантаж;

9, 13 – кульковий і роликовий підшипники; 12 – плішка;

14 – вентиляційна лопатка; 5 – замикаюче кільце;

16 – лобова частина обмотки статора; 17 – коробка виводів;

18 – за щільник; 19 – прогонич.

 

Осердя 4 ротора виготовляють з тієї ж сталі, що і осердя статора і в спресованому стані в його пази під тиском заливають розплавлений алюміній. В двигунах з висотою обертання менш 250 мм застосовують гарячу посадку осердя на гладкий вал без плішки. В двигунах великих розмірів (потужністю більш50 кВт) осердя кріплять на валу за допомогою плішки. По кінцям осердя ротора розміщені литі замикаючі кільця 15 і вентиляційні лопатки 14. В замикаючих кільцях з обох сторін осердя розміщені пази для закріплення балансуючих вантажів 8. Підшипникові вузли складаються з підшипників, підшипникових кришок, які закривають підшипник з однієї або двох сторін, елементів ущільнення, фіксуючих і закріпляючих деталей (шайб, стопорних кілець, гайок і т. д). в підшипникових щитах 6 і 10 виготовленні центральні отвори для розміщення роликового 13 і кулькового 9 підшипників.

Охолодження відбувається за допомогою вентилятора 7, яким встановленийзовні на кінці валу 11, і вентиляційних лопаток 14, що відкидають повітря на лобові частини 16 обмотки осердя статора. Потік повітря напрямляється кожухом 5 в здовж зовнішньої поверхні станини 1 з ребрами. Кожух виготовляють з листового стального прокату і закріплюється до щита двигуна гвинтами. Кожух з торця має отвори, крізь які відбувається забір, повітря.

Лапи станини мають отвори з різьбою, в які вгвинчуються гвинти 19 для з'єднання шини заземлення. На кінці валу розташована плішка 12 для закріплення напівмуфти.

Схеми обмоток і виводів

Трифазні АД мають схему з'єднання обмоток статора, як правило, в "зірку" або "трикутник".

При з'єднанні фазних обмоток в "трикутник" кожна з фаз вмикається до повної напруги мережі (рис.1.3а).

При з'єднанні в "зірку" на кожну фазу приходиться напруга в √3 раз менша, ніж напруга мережі (рис.1.36). Така операція дозволяє застосувати один й той же двигун при двох класах напруги в мережі. Наприклад, двигун з фазною напругою обмоток 220В при з'єднанні в "трикутник", можна вмикати до мережі з напругою 220В, а з'єднавши їх в "зірку" – до мережі 380В. Тому номінальна напруга трифазних машин позначається двома цифрами 220/380.

Якщо АД розрахований на роботу тільки при одному виді напруги, то фази з'єднають у середині машині. В цьому випадку трьохфазна обмотка має тільки три (С₁,С₂,С₃) вихідних кінцях (рис.1.3в).

Для визначення впливу на мережу пускових струмів, які можуть викликати в ній різкі коливання напруги, передбачається можливість запуску АД при заниженій напрузі. У відповідності з виразом (1.6) пусковий струм двигуна пропорційний напрузі U₁, тому зменшення напруги супроводжується відносним зменшенням пускового струму.

Для АД, у яких фазна напруга дорівнює напрузі в мережі (обмотка статора з'єднана "трикутником"), може бути застосований пуск переключенням обмотки статора з "зірки" на "трикутник" (рис.1.3д).

В момент увімкнення двигуна до мережі живлення, перемикач встановлюють у положення "зірка", при якому обмотка статора з'єднується "зіркою". В цьому випадку фазна напруга на статорі понижується в л/з раз. В стільки ж разів зменшиться струм у фазних обмотках двигуна. Крім того, при з'єднанні обмоток зіркою, лінійний струм дорівнює фазному, в той час як при з'єднанні трикутником він більше фазного в √3 раз. Тобто, використання способу пуску в хід перемиканням статорної обмотки із "зірки" на "трикутник" дає зменшення пускового струму в три рази. Після того як ротор двигуна розженеться до швидкості близької до номінальної, перемикач переводить в положення "трикутник". Отриманий при цьому стрибок струму звичайно не великий і, не впливає на роботу мережі живлення. Описаний спосіб пуску має серйозний недолік, який має наступний характер: зменшення фазної напруги в √3 разів при пуску викликає зменшення пускового моменту в (√3)² = 3 рази, так як згідно виразу (1.5), пусковий момент АД, прямо пропорційний квадрату напруги. Таке значне зменшення пускового моменту обмежує використання цього способу пуску для двигунів, що вмикаються під навантаженням на валу.