Поширення набули двигуни з перемиканням кількості пар полюсів та двигуни зі збільшеним ковзанням

Асинхронною машиною називається така машина змінного струму, в якій частота обертання ротора п при заданій частоті струму в її обмотках змінюється залежно від навантаження. Асинхронні машини поділяються на безколекторні та колекторні. Безколекторні асинхронні машини найпоширеніші. Основним типом такої машини є асинхронний трифазний двигун у двох виконаннях: двигун із фазним ротором і двигун із короткозамкненим ротором.

Позитивні якості асинхронних двигунів: простота, дешевизна, високий коефіцієнт віддачі і велика надійність у роботі. Недоліки асинхронних двигунів: споживання значного намагнічувального ін­дуктивного струму, внаслідок чого погіршується коефіцієнт потуж­ності (cos ф) мережі; малозадовільні регулювальні характеристики (немає можливості у широких межах регулювати частоту обертан­ня); погані пускові характеристики (у найекономічнішому двигуні з короткозамкненим ротором). Відносно cos ер асинхронний двигун поступається синхронному, а відносно регулювальних характерис­тик - двигуну постійного струму. Тому асинхронний двигун знайшов широке застосування в галузі малорегульованих електроприводів невеликої та середньої потужності.

Двигуни з короткозамкненим ротором конструктивно прості­ші, надійніші у роботі, дешевші і мають кращі коефіцієнти потуж­ності і віддачі порівняно з двигунами із фазним ротором. Звичайні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором мають значно більший пусковий струм при малому пусковому моменті. Для покра­щання пускових характеристик було розроблено спеціальні типи короткозамкнених двигунів: глибокопазні та двокліткові.

Поширення набули двигуни з перемиканням кількості пар полюсів та двигуни зі збільшеним ковзанням.

5.2. Принцип дії трифазної асинхронної машини і режими її роботи

Якщо до статора трифазної асинхронної машини підвести три­фазний струм, то у машині виникає магнітне поле, яке обертається з чистотою Пі = 60f/p. При частоті обертання ротора п Ф Пі в обмотці ротора асинхронної машини наводиться ЕРС, проходить струм, ішаслідок чого між статором та ротором виникає електромагнітна взаємодія, при якій на ротор діє механічний момент. Отже, різниця частот обертання п і Пі є необхідною умовою роботи безколекторної асинхронної машини.

Відношення або у відсотках

називається ковзанням асинхронної машини.

Залежно від співвідношення частот обертання п і П] (величини ковзання) розрізняють три режими роботи асинхронної машини: двигуна, генератора та електромагнітного гальма (рис. 5.8).

У межах 0 < п < П] (1 > s > 0) електромагнітний момент є рушій­ним, тобто спрямований у напрямі обертання поля статора, і асинхрон­на машина працює двигуном, перетворюючи електричну енергію, яка підводиться з мережі до статора, на механічну енергію на валу.

Якщо за допомогою первинного двигуна ротор асинхронної машини обертати з частотою, більшою від частоти обертання поля статора (п > пі, а 0 > s > — оо), то момент, який розвиває машина, стає гальмівним відносно обертового момента первинного двигуна. Тоді асинхронна машина працює генератором, перетворюючи механічну енергію, яка підводиться до неї від первинного двигуна, на елек­тричну, яку вона віддає у мережу.

Якщо під дією зовнішньої причини ротор асинхронної машини обертається проти обертання магнітного поля статора (п < 0; 1 < s < + оо), то такий режим роботи називається режимом електромагнітного гальма. У цьому випадку до асинхронної машини підводиться енергія з двох боків - електрична енергія з мережі, а ме­ханічна - від первинного двигуна. Такий режим у практиці використо­вується для гальмування та реверсу асинхронних двигунів, а також у підіймально-транспортних механізмах для силового опускання вантажу.

Головним для асинхронної машини є режим двигуна. Асинхрон­ний генератор поступається за своїми властивостями синхронному генератору і тому використовується тільки в особливих випадках. Зокрема, перехід від режиму двигуна до режиму генератора спосте­рігається під час спускання електричного поїзда з гори.

5.3. Основні елементи конструкції трифазного асинхронного двигуна

У трифазному асинхронному двигуні (рис. 5.1) розрізняють дві основні складові частини: нерухому - статор і обертову - ротор, які розділені повітряним проміжком.

Статор асинхронної машини шихтують з електротехнічної сталі завтовшки 0,35-0,5 мм. За довжини магнітопроводу меншій ніж 250-300 мм, радіальні канали у статорі відсутні. За більшої довжини магнітопровід підрозділяють в осьовому напрямі на ряд пикетів завширшки 300-600 мм. Між пакетами влаштовують радіаль­ні вентиляційні канали завширшки 10 мм для проходу охолоджуваль­ного повітря. На внутрішній поверхні статора є пази, в які вкладена трифазна обмотка. Обмотка статора в усіх машинах загального призначення на напругу до 660 В та потужністю до 100 кВт вико­пується з круглого проводу всипною, а при потужностях, більших за 100 кВт - із окремих, часто підрозділених котушок з прямокутного проводу. У машинах на номінальну напругу 3 кВ та вище обмотка виконується тільки суцільними котушками, намотаними прямокут­ним проводом. Кріплення магнітопроводу статора у корпусі зале­жить від габаритів і потужності машини. У машинах малої потуж­ності корпуси виконані з алюмінію, іноді методом заливання алю­мінію на зібраний магнітопровід статора. У потужніших машинах корпуси та підшипникові щити - чавунні чи сталеві. У машинах великих габаритів корпуси та щити зварені з листової сталі.

Повітряний проміжок між статором та ротором роблять якнайменшим — таким, який допускається з міркувань можливості механічного виконання: від 0,3 мм у двигунах малої потужності до кількох міліметрів у двигунах великої потужності (1,5 мм у двигуні потужністю 350 кВт). Це пояснюється тим, що статор та ротор пов’язані між собою електромагнітно за допомогою магнітного потоку, який створюється статором і пронизує ротор. Чим менший промі­жок, тим кращий цей зв’язок і тим легше отримати двигун із заданими характеристиками і навпаки.

Ротор складається з осердя, яке насаджене на вал, та обмотки, вкладеної у пази, що є на осерді. Осердя ротора збирається з листової електротехнічної сталі завтовшки зазвичай 0,5 мм. Осердя роторів дви- іунів із висотою осі обертання до 450 мм насаджують безпосередньо на вал, причому до висоти 225-250 мм - на гладкий вал. У більших маши­нах осердя кріплять на валу шпонкою. Осердя роторів машин великих габаритів насаджують на втулку або на кістяк (хрестовину) ротора.

Окремі листи осердя ротора, як і статора, ізолюють між собою лаковою плівкою. У двигунах малої потужності ізоляцією може бути шар окалини. Ізоляція листів необхідна для зменшення втрат від вихрових струмів у сталі статора та ротора.

Пази ротора, в які вкладають обмотку, рівномірно розміщені по його циліндричній поверхні. Залежно від типу обмотки бувають ротори з фазною обмоткою, або фазні, і ротори з короткозамкненою обмоткою, або короткозамкнені.

У пазах фазних роторів укладена трифазна обмотка, сполучена зіркою, аналогічна обмотці статора. Початки фаз сполучені у нейтраль­ну точку, а кінці фаз цієї обмотки приєднані до контактних кілець, які розміщені на валу та ізольовані між собою і від вала, а звідти через щітки - до пускового чи регулювального реостата. Обмотка ротора може мати будь-яку кількість фаз, починаючи від двох, але переважно виконується трифазною, як і на статорі. Пази ротора роблять найчас­тіше напівзакритими, тому двошарову обмотку виконують стрижневою з двома стрижнями в пазу. Стрижні вкладаються в пази, а їх кінці загинають і сполучають між собою за відповідною схемою.

Короткозамкнені двигуни (рис. 5.2) зустрічаються у трьох виконаннях: нормальні; двигуни з глибоким пазом, або глибоко- пазні; двигуни з подвійною більчачою кліткою, або двокліткові. У двигунах нормального виконання пази мають найчастіше овальну форму та зверху перекриваються мостиком завтовшки 0,4-0,5 мм. Такі двигуни заливаються алюмінієм, так що утворюється алюмініє­ва більчача клітка, яка складається із стрижнів, розміщених у пазах, та замикаючих їх кілець, які прилягають з обох боків до торцевої поверхні осердя ротора.

Для ефективного охолодження застосовують вентилятори. Вентилятори у більшості випадків установлені на валу машини: у машинах бризко- та каплезахищеного виконання ІР23 - всередині корпусу, а в машинах закритого виконання ІР44 - ззовні корпусу (під кожухом). У машинах з короткозамкненими роторами функцію вентиляторів виконують вентиляційні лопатки, які є на замикаючих кільцях обмотки ротора.

За конструктивним виконанням та способом монтажу двигуни виконують за стандартом. Найпоширенішими є виконання ІМ1-ІМ4: з лапами (ІМ1); з лапами і фланцем на підшипниковому щиті (ІМ2); без лап і з фланцем на підшипниковому щиті (ІМЗ); без лап і з фланцем на станині (ІМ4). Серед машин малої потужності поширені також вико­нання ІМ5 (без підшипникових щитів) і ІМ9 (спеціального виконання), які часто застосовуються у різних побутових пристроях та в електрифікованому інструменті.

За ступенем захисту від дії навколишнього середовища серед машин малої потужності більше поширені асинхронні двигуни закритого виконання ІР44 і ІР54 зі способом охолодження ІС0040 (природне охолодження без зовнішнього вентилятора) і ICO 141 (обдування корпуса зовнішнім вентилятором, розміщеним на валу машини), а для машин середньої і великої потужностей - виконання ІР23 (бризко- і каплезахищені) зі способом охолодження ІС01 (самовентиляція; вентилятор розміщений на валу машини).

5.4. Явища в асинхронному двигуні з обертовим ротором при навантаженні

При нерухомому роторі асинхронна машина працює як трансформатор, який відрізняється від трансформатора нормального виконання тільки конструкційно (розподілена обмотка на статорі і роторі, наявність повітряного проміжку), а фізична суть явищ в обох випадках однакова. Асинхронна машина з нерухомим ротором використовується як індукційний регулятор та фазорегулятор.

Ротор асинхронного двигуна під час навантаження оберта­ється з ковзанням s. Під дією підведеної до статора трифазної систе­ми напруг з частотою f по обмотці статора проходить трифазна система струмів, яка створює обертове магнітне поле. Це обертове магнітне поле наводить в обмотці ротора струми, поле яких оберта­ється синхронно з полем статора і разом з ним становить результа­тивне магнітне поле машини. На рис. 5.3 наведено одну фазу обмот­ки статора, в якій струм у даний момент часу набуває макси­мального значення, і відповідну частину обмотки ротора в межах одного полюсного кроку та їх магнітне поле. Весь потік машини (рис. 5.3) можна наближено по­ділити на потік взаємоіндукції Ф (основний потік), який пов’язаний з обмотками статора і ротора і наводить в їх фазах ЕРС Е, і E_2s,

потік розсіяння статора Ф_о), який пов’язаний тільки з обмоткою

статора і наводить у фазах обмотки статора ЕРС розсіяння Е_а1, і потік розсіяння ротора Ф„2, який пов’язаний тільки з обмоткою ротора і наводить в її фазах ЕРС розсіяння E_ct2s.

5.5. Основні рівняння асинхронного двигуна

Якщо Uj і І) - фазна напруга та струм статора, то на підставі другого закону Кірхгофа одержимо рівняння:

U, + Ё, +Ё_ст1 =I₁R₁, де R| - активний опір фази обмотки статора.

Аналогічно для фази обмотки ротора

де І 2 і R2 - фазний струм і опір фази ротора, а індекс "s" означає, що відповідні величини залежать від ковзання.

Потік взаємоіндукції асинхронної машини, який створюється магніторушійними силами (МРС) обмоток статора Fj і ротора F₂, залишається приблизно однаковим за величиною для всіх режимів між неробочим ходом і номінальним навантаженням, тобто Ф„» Фо, що зводиться до рівності відповідних МРС:

режиму роботи під І₀ треба розуміти намагнічувальний струм асинхронної машини (І_ц).

Якщо поділити обидві частини другого рівняння асинхрон­ ного двигуна на ковзання s, то одержимо систему рівнянь:

U, — + i,Z,;

Ё₂ = І₂ (R ₂ / s + jX_CT2);

^mlio^Wl^Ko61 = miil^Wl^Ko61 + m2i2^W2^Ko62 >

де опір Яг/s відповідає всій електромагнітній потужності, яка пере­дається зі статора на ротор, бо m₂I₂R₂ / s = Р_м2 / s = Р_ем -

5.6. Енергетична діаграма асинхронного двигуна

Втрати та перетворення потужності зручно розгадати, ілюстру­ючи їх енергетичною діаграмою (рис. 5.4).