1. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором [ правити | правити код ]
2. Асинхронний двигун з масивним ротором [ правити | правити код ]
3. Асинхронний двигун з фазним ротором [ правити | правити код ]
4. Двигун Шраге-Ріхтера [ правити | правити код ]
5. Руховий режим [ правити | правити код ]
6. Генераторний режим [ правити | правити код ]
7. Режим холостого ходу [ правити | правити код ]
8. Режим електромагнітного гальма (противовключением) [ правити | правити код ]
9. Способи управління асинхронним двигуном [ правити | правити код ]

open wikipedia design.

Асинхронна машина - електрична машина змінного струму , частота обертів ротора якої не дорівнює (в руховому режимі менше) частоті обертання магнітного поля , Створюваного струмом обмотки статора .

У ряді країн до асинхронним машинам зараховують також колекторні машини . Друга назва асинхронних машин - індукційні, це обумовлено тим, що струм в обмотці ротора індукується обертовим полем статора. Асинхронні машини сьогодні складають більшу частину електричних машин, застосовуючи головним чином в якості електродвигунів і є основними перетворювачами електричної енергії в механічну, в переважній більшості це асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором (АДКЗ).

Принцип дії асинхронного двигуна полягає в тому, що струм в обмотках статора створює обертове магнітне поле . це поле наводить в роторі ток, який починає взаємодіяти з магнітним полем таким чином, що ротор починає обертатися в ту ж сторону, що і магнітне поле. Частота обертання ротора завжди трохи менше частоти обертання магнітного поля, тому що за однакової кількості швидкостей поле перестане наводити в роторі струм, і на ротор перестане діяти сила Ампера . Звідси і назва - асинхронний двигун (на відміну від синхронного, частота обертання якого збігається з частотою магнітного поля). Відносна різниця швидкостей обертання ротора і частоти змінного магнітного поля називається ковзанням . У сталому режимі ковзання невелика: 1-8% в залежності від потужності [1] [2] [3] .

У 1888 році Галілео Ферраріс опублікував свої дослідження в статті для Королівської академії наук в Турині (в тому ж році Тесла отримав патент США [4] ), В якій виклав теоретичні основи асинхронного двигуна [5] . Заслуга Ферраріс в тому, що, зробивши помилковий висновок про невеликому ККД асинхронного двигуна і про недоцільність застосування систем змінного струму, він привернув увагу багатьох інженерів до проблеми вдосконалення асинхронних машин. Стаття Галілео Ферраріс, опублікована в журналі «Атті ді Турині», була передрукована англійським журналом і в липні 1888 року потрапила на очі випускнику Дармштадтського вищого технічного училища , Вихідцю з Російської Імперії Михайлу Йосиповичу Доливо-Добровольскому . Уже в 1889 році Доливо-Добровольський отримав патент на трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором типу « біляче колесо »( німецький патент № 51083 від 8 березня 1889 року під назвою «Anker für Wechselstrommotoren»), а в 1890-м - патенти в Англії № 20425 і Німеччини № 75361 на фазний ротор з кільцями і пусковими пристроями. Дані винаходи відкрили еру масового промислового застосування електричних машин. У 1903 році в Новоросійську побудований елеватор з першої в світі промислової мережею змінного трифазного струму, все установки якої виготовлені під керівництвом Доливо-Добровольського. На даному елеваторі, також вперше в світі, застосовані трифазні трансформатори і асинхронні двигуни з фазним ротором. В даний час асинхронний двигун Доліво-Добровольського є найпоширенішим електродвигуном [ Джерело не вказано 508 днів ].

Переваги та недоліки асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором в порівнянні з машинами інших типів:

переваги:

1. Простота виготовлення.
2. Відносна дешевизна.
3. Висока надійність в експлуатації.
4. Невисокі експлуатаційні витрати.
5. Можливість включення в мережа без будь-яких перетворювачів (для навантажень, котрі мають потреби в регулюванні швидкості).

Всі перераховані вище переваги є наслідком відсутності механічних комутаторів в ланцюзі ротора і привели до того, що більшість електродвигунів, використовуваних в промисловості - це асинхронні машини з КЗ ротором.

Недоліки асинхронного двигуна обумовлені жорсткою характеристикою:

1. Невеликий пусковий момент.
2. Значний пусковий струм.
3. Відсутність можливості регулювання швидкості при підключенні безпосередньо до мережі і обмеження максимальної швидкості частотою мережі (для АДКЗ, що живляться безпосередньо від трифазної мережі 50 Гц - 3000 об / хв).
4. Сильна залежність (квадратична) електромагнітного моменту від напруги мережі живлення (при зміні напруги в 2 рази крутний момент змінюється в 4 рази; у ДПТ крутний момент залежить від напруги живлення якоря в першого ступеня, що більш сприятливо).
5. низький коефіцієнт потужності .

Найдосконаліший підхід до усунення вищезазначених недоліків - харчування двигуна від статичного частотного перетворювача .

Асинхронна машина має статор і ротор , Розділені повітряним зазором. Її активними частинами є обмотки і муздрамтеатр (Сердечник); всі інші частини - конструктивні, що забезпечують необхідну міцність, жорсткість, охолодження, можливість обертання і т. п.

Обмотка статора являє собою трифазну (в загальному випадку - багатофазну) обмотку, провідники якої рівномірно розподілені по окружності статора і пофазно покладені в пазах з кутовим відстанню 120 °. Відома і поєднана обмотка, що дозволяє підвищити ККД двигуна [6] . Фази обмотки статора з'єднують за стандартними схемами «Трикутник» або «зірка» і підключають до мережі трифазного струму. Магнитопровод статора перемагнічується в процесі зміни струму в обмотці статора, тому його набирають з пластин електротехнічної сталі для забезпечення мінімальних магнітних втрат. Основним методом складання муздрамтеатру в пакет є Шихтовка .

За конструкцією ротора асинхронні машини підрозділяють на два основних типи: з короткозамкненим ротором і з фазним ротором. Обидва типи мають однакову конструкцію статора і відрізняються лише виконанням обмотки ротора. Магнитопровод ротора виконується аналогічно магнітопровода статора - з пластин електротехнічної сталі.

Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором [ правити | правити код ]

Короткозамкнена обмотка ротора, часто звана «біляче колесо» ( «біляча клітина») через зовнішньої схожості конструкції, складається з алюмінієвих (рідше мідних, латунних) стрижнів, замкнутих накоротко з торців двома кільцями. Стрижні цієї обмотки вставляють в пази сердечника ротора. Сердечники ротора і статора мають зубчасту структуру. У машинах малої і середньої потужності обмотку зазвичай виготовляють шляхом заливання розплавленого алюмінієвого сплаву в пази сердечника ротора. Разом зі стрижнями «білячого колеса» відливають короткозамикающего кільця і ​​торцеві лопаті, які здійснюють вентиляцію машини. В машинах великої потужності «біляче колесо» виконують з мідних стрижнів, кінці яких з'єднують з короткозамикающего кільцями за допомогою зварювання.

Найчастіше пази ротора або статора роблять скошеними для зменшення вищих гармонійних ЕРС , Викликаних пульсаціями магнітного потоку через наявність зубців, магнітне опір яких істотно нижче магнітного опору обмотки, а також для зниження шуму, що викликається магнітними причинами.

Для поліпшення пускових характеристик асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором, а саме, збільшення пускового моменту і зменшення пускового струму, на роторі раніше застосовувалася так звана «подвійна біляча клітина» зі стрижнів з різними питомими проводимостями, пізніше стали застосовувати ротори зі спеціальною формою паза (глубокопазние ротори ). При цьому зовнішня від осі обертання частина паза ротора має менший перетин, ніж внутрішня. Це дозволяє використовувати ефект витіснення струму, за рахунок якого збільшується активний опір обмотки ротора при великих ковзаннях (Зокрема, під час пуску).

Асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором при прямому пуску (без регулювання) мають невеликий пусковий момент і значний пусковий струм, що є істотним їх недоліком. Тому їх застосовують в тих електричних приводах, де не потрібні великі пускові моменти. З розвитком силової напівпровідникової техніки набувають поширення частотні перетворювачі , Які дозволяють плавно нарощувати частоту живить двигун струму в міру пуску, а значить досягати великого пускового моменту. З переваг слід відзначити легкість у виготовленні, і відсутність електричного контакту з динамічної частиною машини, що гарантує довговічність і знижує витрати на обслуговування. При спеціальної конструкції ротора, коли обертається в повітряному зазорі тільки порожній циліндр з алюмінію, можна досягти малої інерційності двигуна.

Різновидом АДКЗ, що дозволяє поступово регулювати швидкість, є багатошвидкісні двигуни, в яких регулювання швидкості виробляється зміною числа пар полюсів в статорі, для чого були розроблені спеціальні види обмоток.

Саме асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором через своїх перерахованих вище достоїнств є основним видом двигунів в промисловому електроприводі, застосування інших видів двигунів незначно і носить вузькоспеціалізований характер.

Асинхронний двигун з масивним ротором [ правити | правити код ]

Існує різновид асинхронних машин з масивним ротором. Такий ротор виготовляють повністю з феромагнітного матеріалу, тобто фактично це сталевий циліндр. Феромагнітний ротор одночасно виконує роль як муздрамтеатру, так і провідника (замість обмотки). Обертове магнітне поле індукує в роторі вихрові струми, які взаємодіючи з магнітним потоком статора створюють крутний момент.

переваги:

• Простота виготовлення, дешевизна
• Висока механічна міцність (важливо для високошвидкісних машин)
• Високий пусковий момент

недоліки:

• Великі втрати енергії в роторі

особливості:

• Мають пологу механічну характеристику
• Ротор значно нагрівається навіть при невеликих навантаженнях.

Існують різні способи поліпшення масивних роторів: припаивание мідних кілець по торцях, покриття ротора шаром міді.

Окремо можна поставити машини з порожнистим ротором. Це може бути порожній циліндр з феромагнітного або просто з провідного матеріалу.

Асинхронний двигун з фазним ротором [ правити | правити код ]

Цей різновид електродвигуна допускає плавне регулювання швидкості в широких межах. Фазний ротор має багатофазну (як правило, трифазну) обмотку, зазвичай з'єднану за схемою «Зірка» і виведену на контактні кільця . За допомогою щіток, що ковзають по цих кільцях, в ланцюг обмотки ротора включається зовнішня регулююча ланцюг, яка дозволяє управляти швидкістю ротора. Елементами цього ланцюга є:

• пускорегулирующий реостат , Що виконує роль додаткового активного опору, однакового для кожної фази. Знижуючи пусковий струм, домагаються збільшення пускового моменту до максимального значення (в перший момент часу). Такі двигуни застосовуються для приводу механізмів, які пускають в хід при великому навантаженні або вимагають плавного регулювання швидкості. Таке регулювання швидкості по характеристиках аналогічно реостатне регулювання швидкості в ДПТ зміною опору в ланцюзі якоря.
• індуктивності (дроселі) в кожній фазі ротора. Опір дроселів пропорційно частоті струму, що протікає, а, як відомо, в роторі в перший момент пуску частота струмів ковзання найбільша. У міру розкручування ротора частота індукованих струмів знижується, і разом з нею знижується опір дроселя. Індуктивний опір в ланцюзі фазного ротора дозволяє автоматизувати процедуру запуску двигуна, а при необхідності - «підхопити» двигун, у якого впали обороти через перевантаження. Індуктивність тримає струми ротора на постійному рівні.
• джерела постійного струму, отримуючи таким чином синхронну машину .
• живлення від інвертора, що дозволяє управляти швидкістю і електромагнітним моментом двигуна. Це особливий режим роботи ( машина подвійного живлення ). Можливо включення напруги мережі без інвертора в протіфазе статора.

Двигун Шраге-Ріхтера [ правити | правити код ]

Трифазний колекторний асинхронний двигун з харчуванням з боку ротора.

Звернений (харчування з ротора) асинхронний двигун, що дозволяє плавно регулювати швидкість від мінімальної (діапазон визначається обмотувальними даними додаткової обмотки, використовуваної для отримання додаткової ЕРС, що вводиться з частотою ковзання у вторинну ланцюг машини) до максимальної, що лежить зазвичай вище швидкості синхронизма. Фізично виробляється зміною розчину подвійного комплекту щіток на кожну «фазу» вторинному ланцюзі двигуна. Таким чином, переставляючи за допомогою механічного пристрою (штурвал або інше виконавчий пристрій) щіткові траверси було можливим досить економічно управляти швидкістю асинхронного двигуна змінного струму. Ідея управління в загальному гранично проста і буде реалізована згодом в так званих асинхронно-вентильних каскадах, де в ланцюг фазного ротора включали тиристорний перетворювач, який працював інвертором або в випрямному режимі. Сутність ідеї - у вторинну ланцюг асинхронного двигуна вводиться додаткова ЕРС змінною амплітуди і фази з частотою ковзання. Завдання узгодження частоти додаткової ЕРС з частотою ковзання ротора виконує колектор. Якщо додаткова ЕРС протівонаправлени основний, проводиться висновок потужності з вторинної ланцюга двигуна з відповідним зменшенням швидкості машини, обмеження швидкості вниз диктується тільки умовами охолодження обмоток). У точці синхронізму машини частота додаткової ЕРС дорівнює нулю, тобто у вторинну ланцюг колектором подається постійний струм. У разі підсумовування додаткової ЕРС з основною проводиться інвертування додаткової потужності у вторинну ланцюг машини, і відповідно - розгін вище синхронної частоти обертання. Таким чином, результатом регулювання було сімейство досить жорстких характеристик із зменшенням критичного моменту при зниженні швидкості, а при розгоні вище синхронної швидкості - з його пропорційним збільшенням.

Певний інтерес представляє собою робота машини з несиметричним розчином щіткових траверс. В цьому випадку векторна діаграма додаткової е.р.с. двигуна отримує так звану тангенціальну складову, що робить можливим роботу з ємнісний реакцією на мережу.

Конструкційно двигун являє собою звернену машину, де на роторі покладені дві обмотки: харчування з харчуванням з контактних кілець і обмотку, з'єднується за допомогою двох пар щіток на «фазу» із вторинною обмоткою статора. Фактично, ці дві частини вторинної обмотки в залежності від положення щіткових траверс включається то згідно один одному, то зустрічно. Так здійснюється регулювання.

Найбільший розвиток такі двигуни отримали в 30-і роки XX століття . У Радянському Союзі колекторні машини змінного струму (КМПТ) не отримали скільки-небудь помітного поширення і розвитку в силу підвищених вимог до виготовлення колекторно-щіткового вузла і загальної високої вартості. На територію СРСР вони проникали в основному в складі придбаного за кордоном обладнання та при першій нагоді замінялися менш ефективними, але більш дешевими машинами постійного струму або асинхронними двигунами з фазним ротором.

В даний час двигун Шраге представляє інтерес виключно з точки зору історії техніки.

На обмотку статора подається перемінна напруга, під дією якого з цих обмоток протікає трифазна система струмів. Оскільки обмотки в асинхронної машині зрушені один від одного в геометричному відношенні на 120 градусів, і, так як в симетричній системі струми в обмотках мають фазовий зсув в 120 градусів, в таких обмотках створюється обертове магнітне поле. Обертове магнітне поле, перетинаючи провідники обмотки ротора, індукує в них електрорушійну силу, під дією якої в обмотці ротора протікає струм, який спотворює магнітне поле статора, збільшуючи його енергію, що веде до виникнення електромагнітної сили, під дією якої ротор починає обертатися (для більш простого пояснення, можна послатися на силу Ампера, що діє на провідники обмотки ротора, які знаходяться в магнітному полі статора, а проте, насправді, величина магнітної індукції в пазу, де распо покладається провідник з струмом, досить мала, оскільки магнітний потік проходить переважно по зубців). Щоб в обмотці ротора виникала ЕРС, необхідно, щоб швидкість обертання ротора відрізнялася від швидкості обертання поля статора. Тому ротор обертається асинхронно щодо поля статора, а двигун називається асинхронним. Відносна різниця швидкості обертання ротора від швидкості обертання поля статора називається ковзанням (s). Номінальне ковзання зазвичай становить 2-8% [7] .

При харчуванні обмотки статора трифазним (в загальному випадку - багатофазним) струмом створюється обертове магнітне поле, синхронна частота обертання n 1 {\ displaystyle n_ {1}} [Об / хв] якого пов'язана з частотою живлячої напруги мережі f {\ displaystyle f} [Гц] співвідношенням:

n 1 = 60 f p {\ displaystyle n_ {1} = {\ frac {60f} {p}}} ,

де p {\ displaystyle p} - число пар магнітних полюсів обмотки статора.

Залежно від кількості числа пар полюсів можливі наступні значення частот обертання магнітного поля статора, при частоті напруги живлення мережі 50 Гц:

Більшість двигунів мають 1-3 пари полюсів, рідше 4. Більше число полюсів використовується дуже рідко, такі машини мають низький ККД і коефіцієнт потужності, однак дозволяють обійтися без редуктора там, де потрібна невисока частота обертання. Наприклад, існують навіть 34-полюсні двигуни 2АСВО710L-34У1 (17 пар полюсів) для приводу вентиляторів градирень (синхронна частота 176,5 оборотів в хвилину).

Руховий режим [ правити | правити код ]

Якщо ротор нерухомий або частота його обертання менше синхронної, то обертове магнітне поле перетинає провідники обмотки ротора і індукує в них ЕРС, під дією якої в обмотці ротора виникає струм. На провідники зі струмом цієї обмотки (а точніше, на зубці сердечника ротора), діють електромагнітні сили; їх сумарне зусилля утворює електромагнітний момент, що обертає, що захоплює ротор слідом за магнітним полем. Якщо цей момент достатній для подолання сил тертя, ротор приходить в обертання, і його встановилася частота обертання n 2 ​​{\ displaystyle n_ {2}} [Об / хв] відповідає рівності електромагнітного моменту гальмівного, створюваного навантаженням на валу, силами тертя в підшипниках, вентиляцією і т. Д. Частота обертання ротора не може досягти частоти обертання магнітного поля, так як в цьому випадку кутова швидкість обертання магнітного поля щодо обмотки ротора стане рівною нулю, магнітне поле перестане індукувати в обмотці ротора ЕРС і, в свою чергу, створювати обертовий момент; таким чином, для рухового режиму роботи асинхронної машини справедливо нерівність:

0 ≤ n 2 <n 1 {\ displaystyle 0 \ leq n_ {2} <n_ {1}} .

Відносна різниця частот обертання магнітного поля і ротора називається ковзанням:

s = n 1 - n 2 n 1 {\ displaystyle s = {\ frac {n_ {1} -n_ {2}} {n_ {1}}}} .

Очевидно, що при руховому режимі 0 <s ≤ 1 {\ displaystyle 0 <s \ leq 1} .

Генераторний режим [ правити | правити код ]

Якщо ротор розігнати за допомогою зовнішнього моменту (наприклад, будь-яким двигуном) до частоти, більшої частоти обертання магнітного поля, то зміниться напрямок ЕРС в обмотці ротора і активної складової струму ротора, тобто асинхронна машина перейде в генераторний режим. При цьому змінить напрямок і електромагнітний момент, який стане гальмівним. У генераторному режимі роботи ковзання s <0 {\ displaystyle s <0} .

Для роботи асинхронної машини в генераторному режимі потрібно джерело реактивної потужності, що створює магнітне поле. При відсутності початкового магнітного поля в обмотці статора потік створюють за допомогою постійних магнітів, або при активному навантаженні за рахунок залишкової індукції машини і конденсаторів, паралельно підключених до фаз обмотки статора.

Асинхронний генератор споживає реактивний струм і вимагає наявності в мережі генераторів реактивної потужності у вигляді синхронних машин, синхронних компенсаторів , батарей статичних конденсаторів (БСК). Через це, незважаючи на простоту обслуговування, асинхронний генератор застосовують порівняно рідко, в основному в якості вітрогенераторів малої потужності, допоміжних джерел невеликої потужності і гальмівних пристроїв. Генераторний режим асинхронного двигуна використовується досить часто в механізмах з активним моментом: в такому режимі можуть працювати двигуни ескалаторів метро (при русі вниз), опусканні вантажу в підйомних кранах , В генераторному режимі також працюють двигуни ліфтів, в залежності від співвідношення ваги в кабіні і в противазі; при цьому поєднуються необхідний за технологією режим гальмування механізму і рекуперація енергії в мережу з економією електроенергії.

Режим холостого ходу [ правити | правити код ]

Режим холостого ходу асинхронного двигуна виникає при відсутності на валу навантаження у вигляді редуктора і робочого органу. З досвіду холостого ходу можуть бути визначені значення намагнічує струму і потужності втрат у муздрамтеатрі, в підшипниках, в вентиляторі. У режимі реального холостого ходу s = 0,01-0,08. У режимі ідеального холостого ходу n 2 = n 1, отже s = 0 (насправді цей режим недосяжний, навіть при допущенні, що тертя в підшипниках НЕ створює свій момент навантаження - сам принцип роботи двигуна має на увазі відставання ротора від поля статора для створення поля ротора. При s = 0 поле статора перетинає обмотки ротора і не може індукувати в ньому струм, а значить не створюється магнітне поле ротора).

Режим електромагнітного гальма (противовключением) [ правити | правити код ]

Якщо змінити напрямок обертання ротора або магнітного поля так, щоб вони оберталися в протилежних напрямках, то ЕРС і активна складова струму в обмотці ротора будуть спрямовані так само, як в руховому режимі, і машина буде споживати з мережі активну потужність. Однак електромагнітний момент буде спрямований зустрічно моменту навантаження, будучи гальмуючим. Для режиму справедливі нерівності:

n 2 <0, s> 1 {\ displaystyle n_ {2} <0, s> 1} .

Цей режим застосовують короткочасно, так як при ньому в роторі виділяється багато тепла, яке двигун не здатний розсіяти, що може вивести його з ладу.

Для більш м'якого гальмування може застосовуватися генераторний режим, але він ефективний тільки при оборотах, близьких до номінальних.

Способи управління асинхронним двигуном [ правити | правити код ]

Під управлінням асинхронним двигуном змінного струму розуміється зміна частоти обертання ротора і / або його моменту.

Існують наступні способи управління асинхронним двигуном [8] [1] :

• реостатний - зміна частоти обертання асинхронного двигуна з фазним ротором шляхом зміни опору реостата в ланцюзі ротора, крім того це збільшує пусковий момент і підвищує критичне ковзання;
• частотний - зміна частоти обертання асинхронного двигуна шляхом зміни частоти струму в мережі живлення, що тягне за собою зміну частоти обертання поля статора . Застосовується включення двигуна через Частотний перетворювач ;
• перемиканням обмоток зі схеми «зірка» на схему «трикутник» в процесі пуску двигуна, що дає зниження пускових струмів в обмотках приблизно в три рази, але в той же час знижується і момент;
• імпульсний - подачею напруги живлення спеціального виду (наприклад, пилообразного);
• введення додаткової ЕРС згідно або протівонаправлени з частотою ковзання у вторинну ланцюг;
• зміною числа пар полюсів, якщо таке перемикання передбачено конструктивно (тільки для короткозамкнених роторів);
• зміною амплітуди напруги живлення, коли змінюється лише амплітуда (або діюче значення ) Керуючого напруги. тоді вектора напружень управління і збудження залишаються перпендикулярні (автотрансформаторним пуск);
• фазовий управління характерно тим, що зміна частоти обертання ротора досягається шляхом зміни зсуву фаз між векторами напруг порушення і управління [9] ;
• амплітудно-фазовий спосіб включає в себе два описаних способу;
• включення в ланцюг харчування статора реакторів ;
• індуктивний опір для двигуна з фазним ротором [10] [11] .

• Леонтьєв Г. А., Зеніна Е. Г. Дослідження асинхронних двигунів з короткозамкненим та фазним ротором. - Волгоград .: Волгоградський гос. тех. ун-т., 2000..
• Вешеневскій С. Н. Характеристики двигунів в електроприводі. Видання 6-е, виправлене. Москва, Видавництво «Енергія», 1977. Тираж 40 000 екз. УДК 62-83: 621,313.2