Теоретичні відомості

Принцип дії асинхронного двигуна пояснимо на моделі, зображеній на рис. 3. Магнітне поле, створене постійним магнітом зосереджене між двома полюсами N та S, перетинає провідну рамку що, може обертатися на осі. Вектор магнітної індукції направлений від північного полюса магніту до південного.

Якщо обертати постійний магніт, а отже вектор магнітної індукції , зі швидкістю обертів за хвилину за годинниковою стрілкою, то поле перетинатиме обмотку ротора і індукуватиме в рамці ЕРС . Так як рамка є замкнутим контуром, то в ній протікатиме індукційний струм І_р.

Визначимо напрям протікання струму рамки. Згідно рисунка 3, відносний рух рамки, тобто активних її провідників, протилежний до напрямку обертання магніту. Тобто рамка обертається відносно магніту проти годинникової стрілки. Тому згідно правила правої руки, струм у верхній частині провідника рамки направлений до нас ( ), у нижньому провіднику рамки – від нас (+).

З фізики відомо, що на провідник з струмом в магнітному полі діє сила Ампера . Застосувавши правило лівої руки, визначимо напрям діючої пари сил F₁ і F₂, які виникають у наслідок дії магнітного поля на рамку зі струмом.

Рис. 3. Схема до пояснення принципу дії асинхронного двигуна

На рисунку 3 видно, що ці сили утворюють обертовий момент, що діє на рамку у напрямку обертання вектора магнітної індукції. Унаслідок дії пари сил рамка почне обертатися з частотою n₂. Якщо обертова рамка наздожене обертове поле магніту, і швидкість їх обертання буде синхронною, то обертове поле не буде збуджувати ЕРС, індукційний струм не буде протікати, зникне обертовий момент, що діяв на рамку. Отже, рамка обертається зі швидкістю n₂, дещо меншою від швидкості обертання поля магніту n₁. Тому двигуни, побудовані на такому принципі дії, називаються асинхронними.

Трифазний асинхронний двигун має складові, які відповідають, в принципі, деталям розглянутої моделі: рамка на осі відповідає функціям ротора, а постійний магніт – обмоткам статора.

Отже, основними частинами асинхронного двигуна є статор, що має магніто провід циліндричної форми, в паза якого розташовані 3 котушки під кутом 120⁰; ротор – фазний або короткозамкнений типу «біляче колесо»; підшипники та підшипникові кришки; повітряний нагнітач; клемний щиток (див. стенд “Асинхронний двигун”).

Принцип дії асинхронних електродвигунів полягає в тому, що котушки статора, увімкнені до джерела струму, утворюють обертове магнітне поле, яке перетинає обмотки ротора і збуджує в ньому ЕРС індукції та індукційний струм.

Звичайно, в асинхронних двигунах навколо ротора не обертають постійний магніт. Обертове магнітне поле створюється завдяки певному розташуванню обмоток статора і протіканню по них змінного електричного струму, зміщеному за фазою.

Обертове магнітне поле можна отримати в системі трьох котушок, розташованих у статорі під кутом 120⁰ одна відносно одної. (рис. 4). Дійсно, якщо котушки приєднати до трьохфазного джерела струму, що змінюється за законом синусів, то в них створюються магнітні поля, вектори індукції яких змінюються за тими ж законами, що й струми. Тому в кожній із котушок обмотки статора по черзі з відставанням на одну третю періоду (або відставанням за фазою у 120^о), утворюватиметься магнітне поле. Очевидно вектор індукції магнітного поля буде повертатися відносно осі статора з частотою змінної напруги, яка живить АД.

Так, для моментів часу вектор магнітної індукції здійснюватиме поворот за годинниковою стрілкою, як це зображено на рисунку 4в. Перетинаючи витки коротко замкнутого ротора, магнітне поле індукуватиме в ньому електричний струм.

Магнітне поле статора діятиме з силою Ампера на витки ротора і змусить його обертатися.

a)	б)
Рис. 4. Графічне зображення процесу створення обертового магнітного поля індукцією В у трифазній системі.

За конструкцією ротора двигуни поділяють на трьохфазні з коротко замкнутим ротором типу «біляче колесо» (рис. 5,а) та фазним ротором (рис. 5,б).

Статори всіх типів асинхронних двигунів майже однакові і складаються з таких деталей: корпуса; стального осердя з пазами для обмоток, що набирається із пластин електротехнічної сталі, ізольованих між собою; обмотки, що вкладається в пази стального осердя.

Фазний ротор асинхронного двигуна являє собою, закріплений на осі, циліндр набраний з пластин електротехнічної сталі, у якому є пази для розташування обмоток. Обмотки ротора (рис. 5,б) з’єднують зіркою, кінці яких приєднують до мідних кілець, за допомогою яких подають напругу від графітних щіток до обмоток. Такого типу ротори встановлюють у потужних двигунах.

Є й іншого типу ротори: ротори з короткозамкненою обмоткою (рис. 5,а). У них обмоткою є алюмінієві стержні, залиті в пази стального циліндра, замкнуті на торцях суцільним кільцем. Така обмотка має назву – коротко замкнена – типу «біляче колесо». Ротори з короткозамкненою обмоткою використовують у малопотужних двигунах.

а)	б)
Рис. 5. Будова ротора асинхронного двигуна: а – “біляче колесо”, б – фазний ротор з пусковим реостатом.

Обмотки статора з’єднують «трикутником» або «зіркою» залежно від того, яка напруга в мережі, або в режимі пуску двигуна.

Режими роботи асинхронного двигуна

Двигун працює в режимі холостого ходу, якщо відсутнє корисне навантаження на його валу. Незначне навантаження, спричинене силою тертя підшипників та роботою вентилятора, при якому споживається двигуном малий струм . Де: – сила струму холостого ходу; - номінальне значення сили струму.

Для порівняння, у трансформаторах струм холостого ходу . Струм холостого ходу АД менший тому, що у них два повітряні зазори між статором та ротором, які чинять більший магнітний опір магнітному потокові, а в трансформаторах повітряних зазорів немає.

Якщо не враховувати так звані обмоткові коефіцієнти, що визначають зсув фаз між окремими котушками обмоток статора та коротко замкнутого ротора ( ), то подібно до роботи трансформатора на холостому ході, діючі значення ЕРС у статорі Е₁ та роторі Е₂ при розімкненій обмотці ротора відповідно дорівнюють:

При нерухомому роторі та розімкненій обмотці . Тому попередні вирази запишемо так:

Відношення цих виразів дає змогу вирахувати коефіцієнт трансформації асинхронного двигуна .

Отже, робота асинхронного двигуна в режимі ХХ з розімкненою обмоткою ротора аналогічна роботі трансформатора у такому ж режимі.

Тому робота двигуна в режимі холостого ходу чинить для мережі індуктивне (реактивне) навантаження, для якого коефіцієнт потужності прямує до нуля.

У режимі навантаження створюється гальмівний момент механічних сил на валу асинхронного двигуна. Швидкість ротора при цьому зменшується, а частота обертового магнітного поля статора залишається сталою, рівною . Тому швидкість обертового магнітного поля відносно ротора зростає.

При цьому зростає ЕРС, а отже і струм у роторі, що призводить до збільшення обертового магнітного моменту, який знову зрівноважується з механічним протидіючим моментом сил:

При обертанні ротора зі швидкістю спостерігається його відставання від швидкості обертання магнітного поля на величину . Відношення різниці швидкостей до швидкості обертання магнітного поля статора називають ковзанням:

(1)

Властивості асинхронних двигунів:

• для асинхронних двигунів справджується принцип саморегулювання, що записується у вигляді рівняння . При збільшенні навантаження зростає й ковзання, збільшується струм ротора , що призводить до зростання споживаного струму ;

• у процесі зростання навантаження механічний обертовий момент переважає електромагнітний, швидкість обертання ротора зменшується, а тому зростає ковзання. При цьому струм ротора зростає, збільшуючи магнітний потік , який у свою чергу направлений проти магнітного потоку статора Ф₁. Тобто, відбувається розмагнічування статора, при якому зменшується його індуктивний опір. Отже, в статорі автоматично зростає струм, що споживається з електромережі, так як . Струм у первинній обмотці зростатиме до тих пір, поки сумарний магнітний потік не досягне свого попереднього номінального значення, якого він сягав при холостому ході .

- при зростанні навантаження коефіцієнт потужності зростає;

Обертальний момент асинхронного двигуна.

Механічне навантаження на валу двигуна дорівнює потужності на шківу:

(1)

Де: F – сила, що діє на шків вала двигуна; υ – лінійна швидкість; Ω – кутова швидкість; Τ – період обертання вала; М – механічний момент сили на валу; n – число обертів ротора за секунду; Р – потужність у ватах (Вт).

З попереднього виразу визначимо величину обертового моменту:

;

Перепишемо вираз 1 з урахуванням ковзання : (2)

Потужність двигуна (3)

Де: E₂ – ЕРС що індукується в роторі;

I₂ – сила струму в роторі;

R – активний опір ротора;

Z – повний опір ротора.

Електрорушійну силу у свою чергу можна виразити рівнянням ЕРС:

(4)

Частоту струму в роторі виразимо через частоту струму в електромережі:

(5)

Де: f₁ - частота обертання магнітного поля статора;

f₂ - частота обертання магнітного поля ротора;

f₀ – частота струму в мережі;

p – число пар полюсів статора;

Ф _max магнітний потік в магнітопроводі статора.

Підставимо рівняння 4 і 5 в рівняння 3, при цьому отримаємо значення потужності: .

Постійні величини позначимо константою С: .

В режимі роботи навантаженого двигуна механічний та електромагнітний моменти і потужності зрівнюються. Тобто ; . Тому електромагнітний момент, подібно до механічного обертового моменту, виразиться формулою:

, або

Електромагнітний момент, що діє на ротор асинхронного двигуна .

Де: С¹ – стала величина; Ф_max – магнітний потік машини; - активна складова сили струму в обмотці ротора.

Очевидно, що струм ротора залежить від швидкості його обертання, а отже від ковзання.

На графіку (рис. 6) зображено механічну характеристику асинхронного двигуна, яка відображає залежність обертового моменту двигуна від ковзання .

Максимальний електромагнітний момент ділить графік на дві частини: стійкий та нестійкий режими. Стійким вважається такий режим, який відповідає ковзанню, що лежить в межах від 0 до критичного його значення - .

Нестійким буде режим роботи двигуна для ковзання від пускового його значення , до критичного - .

З графіка видно, що в режимі стійкої рівноваги при збільшенні ковзання електромагнітний момент зростає. Пояснити це явище можна наступним чином. Збільшення механічного навантаження на валу двигуна призведе до зростання ковзання за рахунок зменшення частоти обертання ротора . При цьому збільшиться частота обертання магнітного потоку статора n₁ відносно обмотки ротора, що призведе до збільшення ЕРС ротора: , де: N – кількість витків обмотки ротора; – швидкість зміни магнітного потоку статора відносно ротора.

Рис. 6. Механічна характеристика асинхронного двигуна

В обмотці ротора зросте сила струму , а отже й електромагнітний момент на валу двигуна: . Обертальний момент збільшується до тих пір, поки не зрівноважиться з механічним моментом на валу.

Збільшення механічного навантаження можливе до величини, що не перевищує максимальне значення електромагнітного обертального моменту. Дійсно, якщо ковзання перевищить максимальне його значення, то частота струму в роторі сягне великих значень, що викличе зростання індуктивного опору обмотки ротора . Очевидно, великий опір обмотки ротора знизить електричний струм у роторі, а отже обертовий момент зменшиться. Електромагнітний момент досягне свого мінімального пускового значення , при якому двигун зупиниться.

Якщо графік, що зображено на рисунку 6, повернути на кут 90⁰, то ми отримаємо інший графік залежності швидкості обертання ротора від величини навантаження асинхронного двигуна (рис. 7), а отже й електромагнітного моменту, що його зрівноважує.

Графік можна розділити на дві частини. Верхня лінія відображає графік стійкого, а нижня – нестійкого режимів його роботи. Для стійкої частини графіка справджується принцип саморегулювання двигуна. При збільшенні навантаження, швидкість ротора дещо зменшується, ковзання збільшується, зростає струм ротора, а отже і обертальний момент, настає рівновага обертальних моментів: механічного та електромагнітного, але при дещо менших обертах.

Рис. 7. Графік залежності швидкості обертання ротора від величини навантаження на валу.

Саморегулювання діятиме до моменту досягнення критичної точки К, при якому обертальний момент машини досягне максимального значення . Як і в попередньому випадку, при збільшенні ковзання до межі критичного значення, різко зростатиме реактивний опір ротора, завдяки зростанню частоти магнітного потоку, що перетинає його обмотку, а отже зменшення коефіцієнта потужності . У таких умовах двигун зупиняється.

Робочі характеристики асинхронного двигуна

Основні робочі характеристики асинхронного двигуна відображають залежність окремих його параметрів від корисної потужності на валу. Зокрема це стосується таких параметрів як:

- загальна споживана електродвигуном потужність з електромережі;

- обертальний момент ротора двигуна;

- швидкість обертання ротора;

- коефіцієнт корисної дії двигуна;

- коефіцієнт потужності;

І₁ – сила струму в обмотці статора;

S – ковзання.

Рис. 8. Робочі характеристики асинхронного двигуна.