Основні теоретичні відомості

Асинхронною машиною називають машину змінного струму, в якої частота обертання магнітного поля статора не співпадає з частотою обертання ротора. Асинхронні машини використовують в основному для перетворення електричної енергії в механічну, тобто в якості двигунів. Вони також можуть працювати в режимах електромагнітних гальм, генераторів, перетворювачів частоти, трансформаторів та інших пристроїв.

Асинхронний двигун складається з двох основних частин: нерухомої - статора і ротора, який обертається. Статор – порожнинний циліндр набраний з листів електротехнічної сталі завтовшки 0,3÷0,5 мм ізольованих між собою шаром спеціального лаку. На внутрішній поверхні статора є пази, в які вкладається обмотка статора.

Обмотки статора трифазного асинхронного двигуна складаються з окремих секцій та розташовані в пазах осердя статора і зміщені між собою в просторі на кут 120°. Кожна фаза містить одну або декілька паралельно чи послідовно з’єднаних обмоток, кількість яких дорівнює кількості пар полюсів p двигуна. Початки і кінці фаз обмотки виведені на клемний щиток двигуна, що дозволяє з’єднати їх між собою трикутником або зіркою. Це дає можливість вмикати двигун на дві напруги, які відрізняються в разів.

Ротор двигуна - циліндр, з тонких ізольованих між собою шаром спеціального лаку дисків електротехнічної сталі, який запресований на вал двигуна. Обмотка ротора буває двох типів, у відповідності за якими розрізняють двигуни з короткозамкнутим і фазним ротором.

Двигуни з короткозамкнутим ротором мають обмотку, яка постійно замкнута накоротко. Її виготовляють шляхом заливання в пази ротора сплаву алюмінію. Утворені стержні замикаються з торців кільцями, які відливаються одночасно з стержнями.

Три обмотки фазного ротора виготовляється аналогічно до обмоток статора. Вони завжди з’єднані зіркою, а початки їх фаз під’єднані до трьох контактних кілець. З допомогою цих кілець і щіток, що до них прилягають, в коло ротора під’єднують реостат, який дозволяє покращити пускові та регулювальні характеристики двигуна.

Принцип дії асинхронного двигуна базується на взаємодії обертового магнітного поля статора із струмами, які індукуються в колі ротора. Обертове магнітне поле виникає при під’єднанні трьох обмоток фаз статора, зміщених в просторі на 120°, до трифазної мережі. Внаслідок цього струми в обмотках статора зміщені за фазою один відносно одного на кут 120°. Магнітне поле обертається з частотою n₀ (хв^-1), яка визначається за формулою:

де f₁ - частота струму в обмотці статора, Гц;

p - кількість пар полюсів магнітного поля двигуна.

Магнітне поле статора при обертанні перетинає провідники ротора та індукує в них змінну ЕРС, під впливом якої в колі ротора виникає індукований струм. В результаті взаємодії струму ротора з обертовим магнітним полем виникають електромагнітні сили, які діють на ротор. При цьому на валу двигуна створюється момент, який пропорційний до магнітного потоку Ф, струму ротора І₂ і косинуса кута Ψ₂ зсуву фаз між струмом і ЕРС ротора:

M=cФI₂cos Ψ₂,

де с – конструктивна стала ротора двигуна.

Під дією цього моменту ротор обертається в напрямі магнітного поля, але з меншою частотою, тобто ротор двигуна обертається асинхронно відносно до поля статора. Різниця частот обертового магнітного поля n₀ і ротора n, віднесена до частоти обертання поля, називається ковзанням:

.

Частота f₂ струму, що індукується в обмотці ротора, визначається за формулою:

.

Частота обертання ротора при неробочому режимі двигуна мало відрізняється від частоти обертання магнітного поля і тому ковзання близьке до нуля. При збільшенні моменту на валу двигуна частота обертання ротора зменшується, а ковзання збільшується. Залежність частоти обертання ротора від моменту або моменту від ковзання: n=f₁(M) або M=f₂(s) називають механічною характеристикою двигуна (рисунок 2.1)

а) б)

Рисунок 2.1 – Механічна характеристика асинхронного двигуна:

а) n=f₁(M); б) M=f₂(s).

Короткочасне перевантаження двигуна визначається максимальним (критичним) моментом М_макс (М_кр), який виникає при критичному ковзанні s_кр. Цей момент є більший від номінального моменту Мн в 1,7÷2,8 разів і визначає перевантажувальну властивість двигуна: λ=Ммакс/Мн.

Механічні характеристики асинхронного двигуна описують рівнянням моменту:

,

де U_1ф – фазна напруга, яка подається на обмотку статора двигуна;

R₁, X₁ – активний та індуктивний опори фази обмотки статора;

R^/₂, X^/₂ – активний та індуктивний опори фази обмотки ротора, приведені до обмотки статора.

Згідно з цим рівнянням, при незмінних значеннях опорів обмоток статора і ротора, момент двигуна пропорційний до квадрату напруги. При зменшенні напруги момент двигуна знижується, зменшується і максимальний момент, а критичне ковзання s_кр залишається сталим.

В розрахунках користуються більш простим рівнянням, яке дозволяє побудувати механічну характеристику за паспортними даними двигуна:

,

де - критичне ковзання;

- номінальне ковзання, яке визначається при номінальній частоті обертання ротора двигуна.

Зміна напряму обертання (реверсу) ротора асинхронного двигуна досягається зміною черговості фаз обмоток статора, що під’єднуються до трифазної мережі.

Механічна характеристика наглядно показує властивості асинхронного двигуна як частини електроприводу. Для більш повного виявлення властивостей самого двигуна служать його робочі характеристики (рисунок 2.2), тобто залежності параметрів n, М, I₁, P₁, η, cos φ від потужності P₂ на валу двигуна.

Рисунок 2.2 – Робочі характеристики асинхронного двигуна.

Номінальний і максимальний моменти визначають за формулами:

; ,

де - номінальна потужність на валу двигуна, кВт.

Активна потужність, яка споживається трифазним асинхронним двигуном від мережі:

,

а коефіцієнт корисної дії η та коефіцієнт потужності cos φ визначаються за формулами:

; ,

де - корисна потужність на валу двигуна;

, - відповідно лінійні напруга і струм в обмотці статора.

Відношення пускового моменту M_п до номінального M_н

є важливою характеристикою асинхронних двигунів і становить від 0,8 до 2,0, а кратність пускового струму до номінального:

.

Трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором характеризується наступними паспортними номінальними величинами: потужністю на валу P_2н, лінійною напругою U_н, лінійним струмом I_н, типом з’єднання фаз статора, частотою змінного струму f₁, частотою обертання ротора n_н, коефіцієнтом потужності cos φ_н і коефіцієнтом корисної дії η_н.

Дата добавления: 2015-11-14