Лекції 12, 13

Тема 7 електричні машини зМінного струму

7.1. Трифазний асинхронний електродвигун

з короткозамкненим ротором

Побудова та принцип дії

Трифазний асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором має дві основні частини – статор і ротор, які відділені одна від одної мінімальним повітряним зазором.

Статор (нерухома частина) електродвигуна являє собою порожній коаксіальний циліндр, набраний з листів електротехнічної сталі. В його пази укладені три обмотки (три котушки індуктивності), виконані з проводу одного перетину й однакового матеріалу (як правило, міді) та зсунуті в просторі на кут 120 (тобто є симетричними). Вони називаються фазними обмотками або фазами електродвигуна. Початки (С1, С2, С3) та кінці (С4, С5, С6) фаз електродвигуна (тобто обмотки статора) виводять на клемну коробку. Призначення статора – створення магнітного поля в асинхронному електродвигуні.

Ротор (обертова частина) являє собою циліндр, набраний з листів електротехнічної сталі, у пази якого залита обмотка. Провідники (стрижні) обмотки ротора мають однаковий перетин, виконані з однакового матеріалу (як правило, алюмінію) та замкнені накоротко за допомогою кілець. Магнітопровід ротора кріпиться на валу з вентилятором (для охолодження) та підшипниками, які запресовують у підшипникові щити, які кріпляться до корпуса електродвигуна. Призначення ротора – надавання руху робочій машині.

П ринцип дії асинхронного електродвигуна розглянемо на наступному прикладі (рис.7.1): між полюсами постійного магніту на осі розташована короткозамкнена рамка. Якщо обертати магніти навколо осі рамки зі швидкістю n, то магнітний потік, який пронизує рамку, буде змінюватися в часі за синусоїдним законом. В результаті буде спостерігатися явище електромагнітної індукції й у рамці наведеться електрорушійна сила. Під дією е.р.с. у рамці буде протікати електричний струм, а через те, що рамка знаходиться в магнітному полі, буде спостерігатися явище електромагнітної сили та виникне обертаючий момент, який буде діяти на рамку. В результаті рамка почне обертатися.

Із прискоренням обертання рамки швидкість обертання магнітного поля щодо неї буде зменшуватися і може наступити такий момент, коли швидкість обертання рамки наблизиться до швидкості обертання магнітного поля. В цьому випадку значно зменшаться електрорушійна сила, яка наводиться в рамці, сила струму в рамці та обертаючий момент. Якщо цей момент буде менше моменту опору обертання рамки, то рамка почне пригальмовуватися. В результаті чого збільшаться е.р.с., сила струму та обертаючий момент до такої величини, коли він стане дорівнювати моменту опору обертання рамки. Таким чином, обертаючий момент рамки завжди буде дорівнювати моменту опору обертання рамки. При збільшенні моменту опору обертання рамки швидкість рамки буде зменшуватися і навпаки, тобто рамка і магнітне поле обертаються з різними швидкостями (асинхронно).

В асинхронному електродвигуні з короткозамкненим ротором обертове магнітне поле створюють три обмотки статора. Для одержання обертового магнітного поля необхідно, щоб ці обмотки на колі статора були розташовані під кутом 120 по відношенню одна до одної та одержували живлення електричним струмом від симетричного трифазного джерела. В двигуні дана умова виконується, в результаті чого при підключенні його до джерела виникає обертове магнітне поле. Це поле наводить в обмотках ротора е.р.с., під дією яких у них протікають струми. На провідники обмотки ротора зі струмом, які знаходяться в магнітному полі, діє механічна сила, в результаті чого виникає обертаючий момент і ротор починає рухатися. Всі процеси надалі протікають аналогічно прикладу на рис.7.1.

Швидкість обертання магнітного поля називається синхронною і залежить від частоти струму в обмотці статора та кількості пар магнітних полюсів статора за законом:

, (7.1)

де n₀ – швидкість обертання магнітного поля, об/хв;

f – частота струму в обмотці статора електродвигуна, Гц;

р – кількість пар полюсів асинхронного електродвигуна.

При частоті струму 50 Гц можливі наступні синхронні швидкості обертання: 3000 об/хв; 1500 об/хв; 1000 об/хв; 750 об/хв; 600 об/хв; 500 об/хв; 375 об/хв.

Приклад 7.1

Два асинхронних електродвигуни одержують живлення від мережі з частотою 50 Гц і напругою 220 В. Синхронні швидкості обертання електродвигунів складають відповідно 3000 об/хв і 1500 об/хв.

Визначити кількість пар полюсів кожного електродвигуна.

Рішення.

1. Визначаємо кількість пар полюсів першого електродвигуна з (7.1):

.

2. Визначаємо кількість пар полюсів другого електродвигуна з (7.1):

.

Ротор електродвигуна завжди обертається повільніше магнітного поля, тобто магнітне поле як би «ковзає» відносно ротора (у тому випадку, якщо магнітне поле і ротор обертаються одночасно, то зміни магнітного поля відносно обмотки ротора не буде й у цій обмотці не буде наводитися е.р.с. і протікати електричний струм). Різницю між швидкостями магнітного поля і ротора називають абсолютним ковзанням:

n = n₀ – n , (7.2)

де n – абсолютне ковзання, об/хв;

n – швидкість обертання ротора, об/хв.

Якщо розділити абсолютне ковзання магнітного поля асинхронного електродвигуна на швидкість обертання магнітного поля, то одержимо відносне ковзання:

, (7.3)

де s – відносне ковзання.

Відносне ковзання можна виразити через кутові швидкості:

, (7.4)

де  – абсолютне ковзання, рад/с;

₀ – кутова швидкість обертання магнітного поля, рад/с;

 – кутова швидкість обертання ротора, рад/с.

Приклад 7.2

Асинхронний електродвигун із двома парами полюсів працює в номінальному режимі зі швидкістю обертання, яка дорівнює 1450 об/хв, одержуючи живлення від мережі з частотою 50 Гц.

Визначити абсолютне та відносне ковзання електродвигуна.

Рішення.

1. Визначаємо абсолютне ковзання електродвигуна за (7.2):

n = n₀ – n = 1500 – 1450 = 50 об/хв.

2. Визначаємо відносне ковзання електродвигуна за (7.3):

.