lekcii

Короткозамкнуті двигуни іноді пускаються для обмеження пускового струму при зниженій напрузі. Для цієї мети в ланцюг статора на час пуску включають активний опір, реактор або автотрансформатор

Застосовується також пуск при перемиканні обмотки статора із зірки на трикутник (мал. 3-66), якщо при цій напрузі мережі вона має бути сполучена в трикутник.

Під час пуску вона з'єднується зіркою, а після закінчення розгону перемикається на трикутник. Отже, напруга, що доводиться на фазу при пуску, буде в раз менше, ніж при роботі.

При цьому (якщо вважати параметри двигуна постійними) початковий пусковий фазний струм зменшується також в раз, а лінійний струм — в 3 рази (насправді внаслідок зменшення при великих струмах x1 і x2, викликаного насиченням коронок зубців полями розсіяння, зменшення струму виходить більше ніж в 3 рази).

При пониженні напруги, прикладеної до обмотки статора, помітно зменшується початковий пусковий момент, пропорційний квадрату первинної напруги. Тому пуск при зниженій напрузі застосовується тільки в тих випадках, де не потрібно великий початковий момент (наприклад, для електроприводу до вентилятора).

Багато потужних мереж, наявних на заводах і електричних станціях Радянського Союзу, допускають безпосереднє включення короткозамкнутих двигунів великих потужностей (на сотні кіловат).

Завдяки порівняно невеликій вартості, простоті конструкції, великій надійності в роботі і зручності в обслуговуванні короткозамкнуті двигуни отримали значно більше поширення, ніж двигуни з контактними кільцями.

Короткозамкнуті двигуни потужністю приблизно до 100-125 кВт зазвичай виконуються із скошеними пазами ротора або статора (приблизно на пазове ділення статора). При цьому зменшуються «паразитні моменти», діючі на ротор і статор машини. Вони створюються вищими гармоніками полів статора і ротора, у тому числі гармоніками полів, обумовленими нерівномірністю повітряного проміжку із-за наявності пазів. При неправильно вибраному числі пазів ротора «паразитні моменти» можуть викликати помітне послаблення пускового моменту і шум як при розгоні двигуна, так і при його роботі.

Способи регулювання частоти обертання

Регулювання частоти обертання зміною активного опору в ланцюзі ротора. Цей спосіб використовується тільки в асинхронних двигунах з різним ротором і

заснований на зміні ковзання шляхом введення в ланцюг ротора регулювального реостата.

Механічні характеристики асинхронного двигуна для різних значень активного

101

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

опору ланцюга ротора показують, що зі збільшенням активного опір ковзання зростає і відповідають заданому моменту навантаження M2, а частота обертання ротора - зменшується.

Залежність ковзання (частоти обертання ротора) від активного опору ланцюга ротора.

s = m2 I22 (r2 + Rдоб)/(ω1M)

де Rдоб опору регулювального реостата. Недоліки способу : великі втрати енергії в Rдоб збільшення втрат енергії в обмотці ротора, викликана підвищенням ковзання, обмежена сфера застосування (тільки для двигунів з фазним ротором), можливість регулювання частоти обертання ротора тільки у бік зменшення від номінальної.

Використання цього способу дозволяє забезпечити плавність регулювання частоти обертання двигуна в широкому діапазоні.

Частоту обертання асинхронного двигуна можна регулювати також шляхом зміни напруги U1 на затисках статора. Проте такий спосіб регулювання при малому опорі роторного ланцюга дозволяє змінювати частоту обертання лише в невеликих межах, що виходить з мал. 3-68, де суцільні криві є залежностями M = f(s) при різній напрузі U1 і при rд = 0.

Можна розширити межі регулювання шляхом зміни U1, включивши в роторний ланцюг додатковий опір (пунктирні криві на мал. 3-68).

Зміна напруги U1 робиться за допомогою регулювальних трансформаторів, реактивних котушок з висувним сердечником, змінних активних опорів, включених в ланцюг статора, а також за допомогою магнітних підсилювачів.

Регулювання частоти обертання зміною частоти струму в ланцюзі статора (частотне регулювання).

При цьому способі регулювання потрібне джерело живлення з регульованою частотою напруги на виході. Для цього найчастіше використовують джерела змінного струму з напівпровідниковими перетворювачами частоти, які дозволяють одночасно регулювати частоту струму з напівпровідниковими перетворювачами частоти, які дозволяють одночасно регулювати частоту струму і величину напруги джерела. Необхідність цього обумовлена тим, що зі зміною частоти змінюються індуктивні опори розсіяння обмоток статора і ротора, а отже, і електромагнітний момент двигуна. По цьому для збереження на необхідному рівні перевантажувальної здатності, коефіцієнта потужності і ККД двигуна необхідно, щоб зміна частоти і напруги відбувалися відповідно до формули

102

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

де U1 і M2 -напряжение і момент навантаження при частоті струму;U 1′и M 2′ напруга і момент навантаження при частоти струму.

На практиці застосовується також спосіб ступінчастої зміни частоти обертання шляхом зміни числа пар полюсів обмотки статора. Відповідне перемикання обмотки робиться порівняно просто, якщо треба збільшити або зменшити число пар полюсів удвічі. В цьому випадку кожна фаза обмотки статора ділиться на дві однакові частини, які можна включати послідовно або паралельно.

При обмотці статора, перемиканій на різні числа пар полюсів, як правило, застосовується короткозамкнутий ротор з білячою клітиною. Якщо ротор виконується з контактними кільцями, то його обмотка також повинна перемикатися на ті ж числа пар полюсів, що вимагає облаштування великої кількості контактних кілець і здорожує двигун.

Для отримання більшого числа східців швидкості на статорі поміщають зазвичай дві обмотки, причому одна або кожна з них робиться перемиканою на числа пар полюсів відносно 2: 1. В цьому випадку можна отримати три або чотири ступені швидкості, наприклад:

3000 : 1500 : 1000 чи 3000: 1 500: 1 000: 500 про/хв.

Асинхронні двигуни з декількома східцями частоти обертання називаються багатошвидкісними. Вони застосовуються в електроприводах до вентиляторів і металорізальних верстатів, де дозволяють спростити «коробку швидкостей» або зовсім від неї звільнитися. Гідністю багатошвидкісного двигуна при застосуванні його, наприклад, для токарного верстата являється те, що при зміні моменту навантаження він працює на кожному ступені частоти обертання при незначній її зміні, як і звичайний асинхронний двигун.

До недоліків багатошвидкісних двигунів треба віднести їх збільшені розміри в порівнянні з нормальними двигунами і внаслідок цього більш високу вартість.

Контрольні питання

103

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

1.Як здійснюється пуск ПЕКЛО з к.з. ротором?

2.Як здійснюється пуск ПЕКЛО з фазним ротором?

3.Чому при пуску виникає великий пусковий струм?

4.Охарактеризуйте пуски при зниженій напрузі?

5.Які способи регулювання частоти обертання у двигунах з фазним ротором?

6.Які способи регулювання частоти обертання у двигунах з до.з ротором?

7.Які способи регулювання дозволяють змінювати частоту обертання убік вниз від номінальної?

8.Які способи регулювання дозволяють змінювати частоту обертання убік вгору від номінальної?

9.Недоліки реостатного способу регулювання?

10.Недоліки багатошвидкісних двигунів?

104

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Лекція 22 Тема: 3.8 Однофазних і конденсаторних асинхронних двигунів

3.9 Асинхронні двигуни спеціального призначення

План

1.Принцип дії однофазного асинхронного двигуна

2.Пуск в хід однофазного асинхронного двигуна

3.Асинхронні виконавчі двигуни

Принцип дії однофазного асинхронного двигуна

Однофазні асинхронні двигуни - це звичайні двигуни невеликої потужності, широко вживані в пристроях автоматики і різних побутових приладах. По конструкції вони майже не відрізняються від трифазних асинхронних двигунів з короткозамкнутим ротором. Відмінність полягає в тому, що на сердечнику статора однофазного двигуна укладена однофазна обмотка, що займає 2/3 пазів сердечника.

При включенні однофазної обмотки статора С1 - С2 в мережу змінний струм, проходячи по обмотці, створює пульсуючий магнітний потік, нерухомий в просторі, але що змінюється від =Фmax

скористаємося графічним методом розкладання пульсуючого магнітного потоку на два однакових, рівних Фmax/2, магнітних потоку Фпр і Фобр, що обертаються в різні боки з однаковою частотою (мал. 4.2), про/мін:

nпр= nобр= f1·60/p = n1.

Рахуємо потік Фпр, що обертається у напрямі обертання ротора, прямим, а потік Фобр - зворотним. Припустимо, що ротор двигуна обертається проти годинникової

стрілки, тобто у напрямі потоку Фпр. Частота обертання ротора n2, менше частоти обертання магнітного потоку n1, тому ковзання ротора відносно потоку Фпр

Sпр = (n1─ n2)/n1 = S.

Магнітний потік Фобр обертається зустрічно ротору, тому частота обертання ротора n2 відносно цього потоку негативна, а ковзання ротора відносно Фобр

105

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Прямій Фпр і зворотний Фобр магнітні потоки наводять в обмотці ротора ЭДС Е2пр і Е2обр, які створюють в короткозамкнутому роторі відповідно струми I 2пр і I 2обр. Частота струму в роторі пропорційна ковзанню [см(3.4)], отже,

f 2пр = f 1sпр ; f 2обр = f1sобр = f1(2 - sпр

Таким чином, струм I 2обр, що наводиться зворотним магнітним потоком в обмотці ротора, має частоту f 2обр, що набагато перевищує частоту f 2пр струму ротора I 2пр, наведеного прямим потоком. Наприклад, для однофазного асинхронного двигуна, працюючого від мережі з частотою f1=50 Гц при n1=1500 і n2=1440 про/мін

Sобр = 2 - Sпр = 2- 0,004 = 1,96; f 2обр = 50 1,96 = 98 Гц.

В результаті взаємодії струму I 2пр з магнітним потоком Фпр виникає електромагнітний момент

Мпр=СмФпрI2прcosφ2пр,

Де см - постійний коефіцієнт, визначуваний конструкцією двигуна. Струм I 2обр, взаємодії з магнітним потоком Фобр, створює електромагнітний момент Мобр, спрямований зустрічно Мпр, т.е.против обертання ротора;

Мобр=См Фобр I 2обр cosφ2обр

Результуючий електромагнітний момент, діючий на ротор однофазного асинхронного двигуна, М=Мпр, - Мобр.

При невеликих значеннях s=sпр, тобто при роботі двигуна в прибудовах номінального навантаження, електромагнітний момент створюється в основному за рахунок

Мпр. Гальмівна дія моменту зворотного поля Мобр - трохи. Пояснюється це тим, що f 2обр>>f 2пр, отже, індуктивний опір розсіяння обмотки ротора Х2обр = Х2 Sобр струму I 2обр набагато більше його активного опору. Тому струм I 2обр, що має велику індуктивну складову, чинить сильну розмагнічуючу дію на зворотний магнітний потік Фобр, значно послабляючи його. Якщо врахувати, що коефіцієнт потужності

cosϕ2обр = r2 / r 22 + x 22обр

106

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

невеликий, то стане ясно, чому Mобр в режимі навантаження двигуна не чинить значної гальмівної дії на ротор однофазного двигуна.

На рис.4.3 показані графіки залежностей електромагнітних моментів від ковзання для однофазного двигуна. Графік результуючого моменту М=f (Sпр)

отриманий відніманням ординат моментів Мпр і Мобр. При нерухомому роторі (n2= 0) ков-

зання Sпр=Sобр=1 і Мпр = Мобр, тому початковий пусковий момент однофазного асинхронного двигуна Мп = 0. Для створення пускового моменту необхідно привести ротор в обертання в ту або іншу сторону. Тоді S ≠ 1, рівність моментів Мпр і Мобр порушується і результуючий електромагнітний момент набуває деякого значення М = Мпр ─ Мобр ≠ 0

Пуск в хід однофазного асинхронного двигуна.

Для створення пускового моменту в однофазному асинхронному двигуни необхідно, щоб обмотка статора створювала магнітне поле, що оберталося, яке можна отримати, якщо на статорі двигуна окрім основної (робочою) обмотки А, що займає

23 пазів сердечника, в тих, що залишилися 13 пазів розташувати допоміжну (пускову ) обмотку В. При цьому осі обмоток мають бути зміщені в просторі один відносно одного на кут 90 эл. град, а струми IA і IB в обмотках мають бути зрушені по фазі один відносно одного. Оскільки обидві обмотки включені в однофазну мережу паралельно, то для отримання фазового зрушення між струмами I A і IB в ланцюзі допоміжної ( пусковий ) обмотки У включають фазосмещающий елемент ФЭ, в якості якого використовують активний опір (резистор ), індуктивність (дросель ) або місткість (конденсатор ).

Після того, як ротор двигуна розженеться до частоти обертання, близько до тієї, що встановилася, пускову обмотку У відключають. Таким чином, під час пуску двигун працює як двофазний, а після закінчення пуску - як однофазний.

Для отримання кругового обертання магнітного поля в двигуні з використанням двох обмоток на статорі, осі яких зміщені в просторі відносно друг другана кут 90 эл. град, необхідно, щоб МДС обмоток були рівні (FA=FB ), а струми в обмотках зрушені по фазі один відносно одного на кут ψ =90˚. Кругове поле характеризується тим, що просторовий вектор Ф магнітного потоку цього поля обертається рівномірно (n1=const ) і його значення у будь-який момент часу постійно Ф=const. Таке поле забезпечує отримання найбільшого пускового моменту МП, так воно не містить зворотної складової.

При частковому порушенні якої-небудь умови, наприклад, FA ≠ FB, або коли струми IA і IB зрушені по фазі на кут ψ≠90, обмотки статора створюють такою, що обертається еліптичне поле . Просторовий вектор магнітного потоку цього поля обертається нерівномірно (n1= var ) і в різних просторових положеннях - неоднакових (Ф = var ). Еліптичне поле, що обертається, складається з двох не рівних за величиною кругових полів, що обертаються в різні боки : прямого (більшого ) і зворотного (ме-

107

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

ншого ). Зворотне поле, що обертається, створює гальмівний момент і погіршує властивості однофазного двигуна.

Якщо ж, наприклад, МДС FB=0 або струми IA і IB співпадають по фазі (ψ=0 ), то магнітне поле статора стає пульсуючим, у якого пряма і зворотна складові однакові.

У цих умовах двигун не створює пускового моменту .

З векторних діаграм, що включення в ланцюг обмотки В резистора з активним опором r або дроселя індуктивністю L не забезпечує фазового зрушення між струмами IA і IB в 90˚. Лише включення конденсатора ємністю З в якості ФЭ забезпечує фазове зрушення між струмами IA і IB на кут ψ =90˚. При цьому місткість конденса

тора вибирають такий, щоб струм IB у момент пуску двигуна (s=1) випереджав по фазі напругу мережі U1 на кут ψВ, доповнюючий кут ψА до 90˚:ψ = ψА+ ψ В=90˚.

Якщо при цьому обидві обмотки створюють однакові МДС, то поле статора, що обертається, буде круговим.

Таким чином, тільки використання конденсатора як ФЭ забезпечує однофазному асинхронному двигуну найкращі пускові властивості. Проте застосування конденсаторів не завжди виправдане із-за їх великих габаритних розмірів.

Наприклад, для однофазного асинхронного двигуна потужністю 40 Вт, що включається в мережу напругою 220 В, частотою 50 Гц, потрібний пусковий конденсатор місткістю 20 мкф при робочій напрузі 400 В. габаритні розміри такого конденсатора досить значні, займаний ним об'єм складає приблизно половину об'єму двигуна. Коли умови роботи двигуна не вимагають великого пускового моменту, використовуються однофазні асинхронні двигуна з активним опором в якості ФЭ. При цьому не потрібно включення додаткового резистора, оскільки активний опір пускової обмотки підвищується за рахунок виконання її з обмотувального дроту зменшеного поперечного перерізу в порівнянні з дротом робочої обмотки. Пускова обмотка такого двигуна включена лише на час пуску, яке не перевищує декількох секунд, тому зменшений переріз дроту цієї обмотки цілком допустимо. Пусковий момент таких двигунів не перевищує номінального, але цього вистачає для більшості випадків застосування однофазних асинхронних двигунів, що включаються в мережу при невеликому навантаженні на волові. Вітчизняною промисловістю виготовляється серія однофазних асинхронних двигунів з активним опором в якості ФЭ серії АОЛБ мошьностью від 18 до 270 Вт при синхронній частоті обертання 3000 і 1500 про/мін, призначених для включення в мережу напруги 127, 220 або 380 В, частотою 50 Гц.

При використанні як фазосмещающего елемент ФЭ конденсатора в пусковий момент однофазного двигуна при правильно підібраній ємності З може скласти

Виконавчі двигуни

108

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Для здійснення автоматичного управління, регулювання або контролю у багатьох випадках потрібно перетворення «електричного сигналу» в механічне обертання. При цьому застосовуються виконавчі двигуни, як які часто використовуються асинхронні двигуни з двома обмотками на статорі і короткозамкнутим ротором. Обмотки в пазах статора розміщуються так само, як в однофазному двигуні, що має головну і допоміжну фази.

Тут одна з фаз статора називається обмоткою збудження (В), а інша фаза — обмоткою управління (У). Такі схеми дозволяють пускати в хід і зупиняти двигун і регулювати його частоту обертання шляхом зміни напруги UУ на обмотці управління; при цьому обмотка збудження залишається такою, що примкнула до мережі.

На відміну від звичайних асинхронних двигунів до виконавчих асинхронних двигунів пред'являється ряд особливих вимог :

відсутність «самохода» (обертання двигуна після зняття сигналу управління); зміна частоти обертання двигуна в широких межах при зміні напруги управління

UУ за величиною і фазою;

стійкість роботи при усіх частотах обертання; великий початковий пусковий момент; лінійність регулювальних і механічних характеристик; мала потужність управління; швидкодія.

Під самоходом двигуна розуміється його обертання після зняття сигналу (напруга) з обмотки управління. Такого обертання (самохода) не повинно бути. Двигун повинен швидко зупинятися після відключення обмотки управління. Інакше він перестає бути керованим. Для усунення самохода двигуна необхідно, щоб обмотка його ротора мала великий активний опір.

Зовнішній статор 1 збирається з тонких лакованих листів електротехнічної сталі завтовшки 0,2 0,5 мм (при частоті струму відповідно до 500 — 50 Гц). У пазах статора поміщаються обмотки 6 — збудження і управління. Вони можуть бути виконані або у вигляді двох окремих обмоток, ізольованих одна від одної, або у вигляді обмоток, сполучених за мостовою схемою (мал. 3-101). Остання схема застосовується порівняно рідко, попри те, що електричні втрати тут будуть менше, ніж при двох роздільних обмотках. До недоліків її слід віднести електричний зв'язок між ланцюгами збудження і управління і збільшене число провідників для обмоток із-за наявності паралельних гілок.

Внутрішній статор 2 також збирається з лакованих листів електротехнічної сталі і служить для зменшення магнітного опору головному потоку, що проходить через проміжок. Він насаджується на циліндричний виступ щита.

109

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Порожнистий ротор 3 є тонкостінною склянкою, що виконується зазвичай з алюмінієвого сплаву. Дно склянки жорстко зміцнюється на валу 7. Товщина його стінки коливається від 0,2 до 1 мм. Такий ротор має дуже невеликий момент інерції, що у багатьох випадках і вимагається від виконавчого двигуна.

Проміжком в двигуні слід рахувати проміжок між зовнішнім і внутрішнім статорами. Він відносно великий: 0,5 — 1,5 мм. Внаслідок цього зростають струми обмоток, що намагнічують, що призводить до збільшення електричних втрат в них. Крім того, великі електричні втрати виникають в роторі. Тому к.п.д. даного двигуна має низькі значення. Із-за великих втрат доводиться збільшувати розміри двигуна, щоб вийшли достатні поверхні охолодження.

Поля, що обертається, і вихрових струмів, наведених їм в циліндричній частині ротора. З деяким наближенням можна контури вихрових струмів замінити еквівалентною клітиною. Активний опір r2 такої клітини виходить великим, тоді як її індуктивний опір х2 невеликий: х2 (0,05 0,1) r2. За цих умов великою мірою задовольняються вказані вимоги, що пред'являються до виконавчого двигуна.

В якості виконавчого двигуна застосовується також асинхронний двигун з феромагнітним порожнистим ротором. Такий ротор виконується у вигляді порожнистого циліндра із сталі при товщині його стінки від 0,5 до 3 мм. Тут внутрішній статор не потрібно, оскільки потік проходитиме по стінках циліндра. На торцях ротора зміцнюються диски. Крізь центральні отвори дисків проходить жорстко пов'язаний з ними вал. Отже, конструкція виходить більше за просту, ніж у попередньому випадку.

Виконання його обмоток статора і схеми їх включення такі ж, як у двигуна з немагнітним порожнистим ротором (мал. 3-98).

Повітряний проміжок між статором і ротором в даному двигуні береться невеликою (0,2 — 0,3 мм); проте струми його обмоток, що намагнічують, майже такі ж, як у двигунів з немагнітним порожнистим ротором. Пояснюється це тим, що магнітна провідність феромагнітного порожнистого ротора внаслідок малої його товщини незначна.

Активний опір r2 такого ротора великий, оскільки питомий опір стали значно більше, чим міді і алюмінію, і, крім того, тут різко позначається ефект витіснення струму до зовнішньої циліндричної поверхні ротора, особливо при великій частоті f2

=sf1.

Зметою зменшення r2 іноді робиться обміднення ротора : гальванічним шляхом зовнішня циліндрична поверхня ротора покривається шаром міді завтовшки 0,05 — 0,1 мм, а торцеві поверхні — шаром міді завтовшки до 1 мм. Проте при цьому зростає

110

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com