1. Основні теоретичні положення

Широкого застосування здобули конструкції асинхронних двигунів з короткозамкненим ротом. Технологія виготовлення таких роторів простіша, вартість нижча, а надійність у роботі значно вища. Проте слід зауважити, що такі переваги були здобуті за рахунок послаблення регулювальних можливостей асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором порівняно з асинхронними двигунами з фазним ротором.

Короткозамкнена обмотка цієї конструкції досить специфічна (її традиційно називають «біляча клітка»). Вона виконується з неізольованих струмопровідних стержнів, укладених у пази ротора і з’єднаних на кінцях суцільними металевими торцевими кільцями. В переважній більшості короткозамкнені обмотки виготовляються шляхом заливання пазів розтопленим алюмінієвим сплавом. Відливна форма виконується так, що одночасно з цим процесом створюються й короткозамкнені торцеві кільця, а на них навіть спеціальні ребра, що виконують роль лопаток вентилятора для забезпечення інтенсивного теплообміну.

Асинхронні машини енергетичного призначення у переважній більшості мають обертальну циліндричну конструкцію з концентричним розміщенням статора (ззовні) і ротора (всередині). При чому здебільшого вони виконуються трифазними. В асинхронних машинах з фазним ротором обмотки ротора також трифазні; в машинах з короткозамкненим ротором – багатофазні [2]. Переважна більшість асинхронних машин виконує рушійні функції, тобто вони працюють як двигуни.

Особливістю роботи асинхронного двигуна є те, що при ненавантаженому двигуні (без моменту опору на валу Мст =0), його первинна обмотка виконує тільки функції каналу збудження, створюючи обертальне магнітне поле за рахунок споживання реактивної енергії з живильної мережі. При навантаженні двигуна до цього додається друга функція – передача активної електричної енергії з мережі для її подальшого перетворення в механічну; тобто при цьому первинна обмотка додатково виконує також і функції енергетичного каналу.

Щодо вторинної обмотки асинхронного двигуна, то в загальному випадку вона взагалі не має електричних зв’язків із зовнішніми електричними системами. У нормальному стані вона буде замкнена сама на себе. В зв’язку з цим її називають короткозамкненою. Проте ця назва не зовсім точна, бо замкнена сама на себе вторинна обмотка асинхронної машини обов’язково повинна мати в контурі активний опір r2, без якого роторна обмотка не змогла б прийняти активну енергію, що передається від статора електромагнітним шляхом.

Принцип дії асинхронного двигуна можна визначити такими етапами енергетичних перетворень:

1) обертальне магнітне поле, створене обмотками статора, наводить в обмотці поки що нерухомого ротора основну ЕРС Е2 (слід пам’ятати, що те ж обертальне магнітне поле наводить і в обмотці статора ЕРС Е1 , яка приблизно дорівнює U1);

2) оскільки обмотка ротора є замкненою, то під дією ЕРС Е2 в ній виникає струм I2.

3) провідники ротора зі струмом створюють своє магнітне поле, при взаємодії якого з первинним магнітним полем збудження виникають тенденційні електромагнітні сили, що створюють обертальний додатний (рушійний) електромагнітний момент М;

4) під дією обертального моменту М ротор починає розганятись у тому ж напрямку, в якому рухається обертальне магнітне поле;

5) процес розгону відбувається доти, поки момент М зрівноважиться з моментом навантаження (опору) на валу М ст ;

6) кутова частота обертання ротора не може досягти частоти обертання магнітного поля ( - синхронна швидкість обертання поля статора), бо при їх зрівнянні зникає ЕРС Е2, зникає відповідний струм I2, а разом з тим і обертальний момент М.

Таким чином, різниця частот обертання магнітного поля статора і безпосередньо ротора АД ( - ) є принциповою ознакою цього двигуна, що має несинхронну (асинхронну) частоту обертання ротора у порівнянні з частотою обертання магнітного поля. Саме ця величина, виміряна у відносних одиницях, й визначає поняття про ковзання s в асинхронних машинах

s = ( - )/ , (2)

На практиці величину ковзання здебільшого визначають у відсотках

s = . (3)

Асинхронний двигун, як і кожна електрична машина, може працювати в режимі двигуна й в режимі генератора. При цьому кожному режиму роботи відповідає своя зона ковзань, а також своя енергетична діаграма. Генераторному режиму відповідають від’ємні значення ковзання 0>s>- , ( ); рушійному – проміжок додатних значень ковзань від 0 до 1, ( ); при трансформаторному режимі – ковзання дорівнює одиниці (s= 1; ); режиму електромагнітного гальма – ковзання в діапазоні 1 < s <+ , ( ). Такий режим ще називають режимом противмикання. При динамічному гальмуванні 0<s<1

Можливе застосування їх і за іншим функціональним призначенням. Відносно широке застосування асинхронні машини мають у трансформаторних режимах. Причому в трансформаторних режимах вони знаходять застосування принаймні в двох варіантах: в статичному з використанням певних кутів повороту в регулювальних процесах; і в динамічному, що використовується в спеціалізованих пристроях систем автоматичного керування – обертальних трансформаторах та сельсинах.

Особливу увагу заслуговують ще два режими роботи асинхронного двигуна: режим ідеального холостого ходу ( s = 0; ) і режим короткого замкнення (s = 1; ).

При роботі АД в режимі ідеального холостого хода (s = 0) струм ротора дорівнює нулю (I = 0), тому що зникає його ЕРС (Е = 0). Таким чином, асинхронна машина не створює обертального магнітного моменту, тобто не працює як двигун, і одночасно не виробляє електроенергію (не працює як генератор). Однак при цьому вона споживає з мережі струм намагнічування (струм холостого хода), який витрачається для створення магнітного поля машини.

При роботі АД в режимі короткого замкнення (М = Мкз = Мп; s = 1; ), коли двигун включено на номінальне значення напруги живлення, але його ротор знаходиться в нерухомому стані, АД споживає з мережі великій струм. В такому режимі двигун знаходиться кожний раз при його пуску, створюючи пусковий момент Мп, який дорівнює моменту короткого замкнення Мкз. І як що ротор АД не зможе розігнатися під дією електромагнітного моменту до швидкості більшої критичного значення , коли момент навантаження М більший за пусковий момент (М М ), він перегрівається та виходить з ладу.

Більш детально слід розглянути роботу АД в генераторному режимі та в режимі електричного гальма, тобто в режимі проти включення. Якщо ротор асинхронного двигуна обертається від дії якогось приводного механізму, то магнітне поле збудження може бути створене принаймні у двох варіантах: 1) з обертанням поля у той же бік, в який рухається й ротор АД , але з частотою < ; 2) з обертанням поля у бік, протилежний руху ротора, причому з будь-якою частотою .

В першому випадку АД працює в режимі генератора. Принцип дії такого асинхронного генератора, підключеного до загальної мережі, з’ясовується при розгляді шляхів перетворення в ньому активної енергії (потужності):

- від джерела механічної енергії через вал активна потужність надходить до ротора генератора;

- у роторі завдяки дії поля збудження вона перетворюється в електричну енергію, цьому мають відповідати (згідно з загальною залежністю P2 = m2U2 I2 cos ) певні значення напруги U2 та активного струму I2 cos у вторинній обмотці;

- струми обмотки ротора викликають появу вторинного електромагнітного поля, яке обертається разом з ротором з частотою і є носієм первинної активної потужності;

- це вторинне електромагнітне поле наводить в первинній статорній обмотці ЕРС Е12 і передає в первинне зовнішнє коло електричну енергію відповідної активної потужності, якщо на неї є споживач;

- якщо споживача активної потужності немає, то вона, відповідно, і не відбирається від джерела механічної енергії.

Такий шлях перетворень активної потужності в асинхронному генераторі приводить до висновку, що обмотка ротора має сприйняти активну потужність, а потім передати її далі в ланцюг перетворень. Це можливо лише за умови, якщо в колі роторної обмотки буде активний опір R2. Ідеальна короткозамкнена вторинна обмотка без активного опору такої функції виконати не зможе, бо через неї проходитимуть лише реактивні струми. В другому випадку, коли поле статора обертається в бік, протилежний руху ротора, АД працює в режимі проти включення. У такому режимі наводитимуться ЕРС Е2, що збігаються з дією напруги мережі U1, тобто в обмотці генератора вони додаються. Це викличе додаткове збільшення споживання струму з мережі порівняно з режимом нерухомого ротора при s = 1. При цьому вся енергія від двох джерел (від загальної мережі живлення та перетворена в електричну енергію, що надходить від джерела механічної енергії) виділятиметься всередині генератора і швидко нагріє його до неприпустимої температури.

Проте й саме такому специфічному режиму знаходять корисне застосування. У цьому режимі на роторі виникає електромагнітний момент ще більший, ніж був при s = 1, але з протилежним знаком, тобто гальмівний. Тому такий режим називають режимом електромагнітного гальма і використовують його при необхідності екстреного гальмування.

Асинхронні двигуни використовують також в режимах динамічного гальмування. Такий режим можна получити, якщо статор двигуна вимкнути з мережі трифазного струму та підключити його на невелику постійну напругу. Величина постійної напруги, що прикладається до двигуна, визначається виходячи зі схеми включення статорної обмотки та величини номінального струму двигуна. Аналітичний вираз для визначення постійної напруги:

U = I R , (8)

де U - величина постійної напруги для забезпечення режиму динамічного гальмування; I - номінальний струм статора двигуна; R - активний опір статора, який залежить від його схеми в режимі гальмування.

Фізичні процеси, яки відбуваються в двигуні при динамічному гальмуванні, таки. Постійний струм статора створює нерухоме в просторі магнітне поле. В цьому нерухомому полі обертається ротор двигуна, і в його обмотках наводиться багатофазна (фазність залежить від конструкції ротора) ЕРС Е2 , яка обумовлює появу струму ротора. Цей струм створює своє магнітне поле, яке взаємодіє з незмінним полем статора. Таким чином, на валу двигуна виникає гальмівний електромагнітний момент.

Слід підкреслити, що частота струму ротора та його величина залежать від частоти обертання ротора. Крім того, стан магнітного кола двигуна в гальмівному режимі може бути насиченим і ненасиченим.

Режим динамічного гальмування, як і всі гальмівні режими, є генераторним. Механічна енергія перетворюється на електричну, що розсіюється у вигляді теплоти в опорах роторного кола.

При аналізі статичних характеристик АД з метою спрощення виразів використовують спрощену Г- подібну схему заміщення фази двигуна [1]. З схеми заміщення струм ротора I можна подати такою залежністю:

I = , (9)

де U1 – напруга живлення; R1, R , - відповідно активні опори статора та ротора; X - індуктивний опор короткого замикання, s – ковзання ротора.

Значення електромагнітного моменту на валу ідеального двигуна можна знайти по формулі:

М = , (10)

де , , - відповідно, кількість фаз, кількість пар полюсів, частота струму.

Залежність електромагнітного моменту від ковзання М = у графічному відображенні звичайно називають механічною характеристикою, так як і похідні від неї залежності: М = , , та ін. У реальних асинхронних двигунах на відміну від ідеальних механічна характеристика М = перетворюється у криволінійну.

При малих значеннях ковзання s вплив активного опору /s є визначальним, тому при малих ковзаннях характеристика М = реального АД з короткозамкненим ротором мало чим відрізняється від характеристики М = для ідеальної моделі. Проте зі збільшенням s значення активного опору /s у порівнянні з впливом та індуктивних опорів і стає все меншим.

Характеристика реального двигуна все більше відхиляється від ідеальної, а при певному значенні ковзання навіть змінює динаміку ходу, тобто починає зменшуватись при дальшому зростанні ковзання s. Внаслідок цього пусковий момент реального двигуна стає суттєво нижчим від пускових можливостей ідеального короткозамкненого АД. Ця властивість в цілому негативно впливає на характеристики АД, особливо у порівнянні з відповідними можливостями двигунів постійного струму.

Значення пускового моменту можна визначити з (10) при s = 1:

М = . (11)

Відношення пускового моменту до номінального називають кратністю пускового моменту :

. (12)

Для короткозамкнених АД звичайного виконання = 1,1 …1,2.

Характерною і практично важливою величиною є значення максимального моменту , а також ковзання , при якому він настає. Ці значення називають критичними ( - критичний момент, - критичне ковзання). Їх аналітичні вирази можна дістати, використовуючи відомі методи досліджень функцій на екстремум (dM/ds=0). Таким чином, отримуємо:

, (13)

. (14)

Знак «плюс» в рівняннях відповідає роботі асинхронної машини в рушійному режимі, знак «мінус» - в генераторному. Вирази (13) та (14) мають суттєве практичне значення. З них випливають важливі висновки:

- значення критичного ковзання прямо пропорційне величині активного

опору обмотки ротора (для АД з короткозамкненим ротором = const);

• значення максимального моменту не залежить від , а

залежить від напруги живлення (фазне значення) в квадратичній залежності.

Відношення максимального моменту до номінального називають перевантажувальною спроможністю : або кратністю максимального моменту, . (15)

При дослідженні електромеханічних властивостей асинхронного електропривода є можливість одержувати характерні точки механічних і електромеханічних характеристик, використовуючи достатньо прості вирази, які не вимагають складних розрахунків. Для цього раціонально використовувати вирази для моменту в вигляді формули Клосса (16) та вирази для стуму в вигляді формули Шубенко (17):

, (16)

. (17)

В наведених рівняннях критичні значення ковзання та моменту на валу АД, а також струм холостого ходу двигуна можна отримати за допомогою рівнянь:

, (18)

, (19)

. (20)

В формулу Клосса входить параметр , який дорівнює відношенню активних опорів статорної та роторної обмоток a = R₁/ (для більшості асинхронних двигунів із фазним ротором a ≈ 0,8...1,0; для двигунів з короткозамкненим ротором a ≈ 0,5...0,7; для двигунів з підвищеним ковзанням беруть менші значення коефіцієнта a; зі збільшенням потужності двигуна значення коефіцієнта a зменшується). Ці формули дозволяють виконати розрахунки і побудову механічних та електромеханічних характеристик АД.

Рівняння механічної характеристики для режиму динамічного гальмування має вигляд:

, (21)

де - еквівалентний симетричний змінний струм статора, який створює таку ж магніторушійну силу, як і реальний постійний струм І_п, що протікає по обмотці статора в режимі динамічного гальмування; ν = ω/ω_с – відносна швидкість (ковзання в режимі динамічного гальмування); x_μ – індуктивний опір намагнічування.

В лабораторній роботі обмотки статора виконавчого двигуна з’єднано "зіркою" і в режимі динамічного гальмування постійна напруга подається на дві фази "зірки". Для такої схеми включення справедливе співвідношення

. (22)

Значення максимального гальмівного моменту визначається формулою

, (23)

а відповідна йому критична відносна швидкість

. (24)

Механічну характеристику для режиму динамічного гальмування можна також розрахувати, використовуючи формулу

, (25)

При розрахунку будемо вважати магнітну систему двигуна ненасиченою. Це означатиме, що індуктивний опір намагнічування є величиною незмінною (x_μ = const) і орієнтовно може бути визначений з виразу

. (26)

Вплив насичення магнітної системи двигуна проявляється на малих швидкостях гальмування. Це призводить до зменшення індуктивного опору намагнічування x_μ і відповідно до збільшення величини ν_кр. Вплив насичення проявляється тим сильніше, чим більше значення еквівалентного струму статора I_1екв. Для розрахунку механічних характеристик динамічного гальмування з урахуванням насичення магнітної системи двигуна користуються універсальними характеристиками намагнічування.

Враховуючи, що x_μ >> x₁, критичне ковзання в режимі динамічного гальмування є дуже малим ν_кр<< s_кр. Це означає, що пік гальмівного моменту наступає при дуже малих швидкостях, а на великих швидкостях гальмівний момент малий і його може бути недостатньо для гальмування при позитивному активному моменті (наприклад, при опусканні вантажу).