Асинхронні електродвигуни

Характеристики й параметри електродвигунів. Особливістю асинхронного електродвигуна є те, що зв'язок між обмотками його статора й ротора тільки магнітна. Тому, якщо при нерухомому роторі (n₂ = 0 і S=1) увімкнути статор під напругу U₁ з частотою f₁, то основний магнітний потік Ф, який обертається із синхронною частотою n₁,буде наводити у кожній з фаз статора й ротора ЕРС:

 

(7.3)

 

а потоки розсіювання Ф₀₁і Ф_{02 –} відповідно ЕРС розсіювання:

 

(7.4)

тут k₀₁, k₀₂ – обмоткові коефіцієнти відповідно статора й ротора; w₁, w₂ — число витків обмоток відповідно статора і ротора; w₁ – кутова швидкість обертання магнітного потоку статора; L₁, L₂ – індуктивність обмотки статора й ротора відповідно; x₁, x_{2 –}індуктивні опори відповідно статора й нерухомого ротора.

ЕРС ротора створює в обмотці ротора струм:

(7.5)

де r₂ – активний опір фази ротора.

При роботі електродвигуна частота обертання потоку Ф щодо ротора дорівнює n_s = s·n₁, відповідно частота ЕРС і струму ротора дорівнює f₂=s·f₁ тобто частота струму ротора f₂ пропорційна частоті струму статора й ковзанню.

Відповідно зміні частоти f₂, а отже, і ковзанню s змінюються ЕРС, індуктивний опір і сила струму ротора:

 

(7.6)

 

Струм ротора, протікаючи по обмотці, створює своє магнітне поле, що обертається щодо самого ротора з частотою n_s = s·n₁ а в просторі воно обертається з частотою n_s + n₂ = n₁, тобто з тією же частотою, що й магнітне поле статора. Іншими словами, поле ротора й поле статора обертаються синхронно і, діючи в тій же само магнітній системі, створюють результуючий магнітний потік Ф асинхронного електродвигуна.

Відповідно до цього магніторушійна сила (МРС) машини як при нерухомому, так і при обертанні роторі дорівнює геометричній сумі МРС статора й МРС ротора:

 

(7.7)

 

де m₁ і m₂ –число фаз відповідно статора і ротора.

Розділивши обидві частини рівняння (13.17) на m₁·ω₁·k₀₁одержимо:

 

(7.8)

де I₂ = k_і·І₂ – сила струму ротора, приведена до обмотки статора;

коефіцієнт приведення (трансформації) струмів.

Рівняння (7.8) можна записати так:

 

(7.9)

тобто струм I₁ має дві складові: I₀ – намагнічуючу складову, яку називають струмом не навантаженого ходу, і I₂— складову, котра компенсує дію струму, що розмагнічує, ротор. Звичайно I₀ у три-чотири рази менше номінального струму статора.

З метою спільного розгляду ротора й статора замінимо величини, що характеризують роботу ротора, що відповідають приведеними величинами:

а) ЕРС ротора:

 

(7.10)

Де k_e – коефіцієнт приведення ЕРС та напруг;

б) опору обмотки ротора:

 

(7.11)

де k = k_e·k_i — коефіцієнт приведення опорів.

 

 

Рис. 7.4. Схема заміщення (а) та механічна характеристика (б) асинхронного електродвигуна

 

На підставі цих рівнянь, зневажаючи струмом І₀ як малою величиною, можна скласти схему заміщення однієї фази трифазного асинхронного електродвигуна (рис. 7.4,а).

На підставі схеми, потужність, споживана двигуном із мережі, визначиться за виразом:

 

(7.12)

 

де U₁, I₁ – фазні значення відповідно напруги й струму; cosφ – коефіцієнт потужності електродвигуна.

Нехтуючи втратами у статорі, можна вважати, що потужність цілком передається від статора до ротора, що обертається з кутовою швидкістю ω₁ = 2·л·f₁/р. Момент електродвигуна М визначиться виразом:

 

(7.13)

 

Зі схеми заміщення маємо:

 

Таким чином обертальний момент трифазного асинхронного електродвигуна дорівнює:

 

(7.14)

З виразу (7.14) випливає, по-перше, що обертальний момент асинхронного електродвигуна пропорційний квадрату напруги. Це означає, що електродвигун дуже чуттєвий до коливань напруги. По-друге, момент обернено пропорційний частоті напруги живлення. По-третє, він залежить від ковзання s, тобто від частоти обертання двигуна. Механічна характеристика М = f(s) асинхронного електродвигуна представлена на рис. 7.4, б.

Аналіз механічної характеристики показує, що вона має дві принципово різних ділянки. Ділянка 0В відповідає усталеній роботі електродвигуна, тому що на цій ділянці при збільшенні навантаження ковзання зростає і разом із цим збільшується обертальний момент, що підтримує усталену роботу двигуна. Навпаки, ділянка ВА відповідає нестійкій роботі електродвигуна, тому що при збільшенні навантаження ковзання зростає, а обертаючий момент зменшується.

Відношення максимального моменту до номінального k_т = = М_т/М_н називається перевантажувальною здатністю асинхронного електродвигуна. Звичайно k_т= 1,8 - 2,5 у електродвигунів нормального виконання, k_т = 2,8 -3,5 у електродвигунів спеціального виконання.

Керування електродвигунами. Процес керування трифазними електродвигунами, як і двигунами постійного струму, складається з етапів пуску, реверса, зупинки й гальмування.

У момент пуску електродвигуна s=1 і пусковий момент М_п, як випливає з характеристики М = f(s), щодо невеликої. У той же час пусковий струм, дорівнює:

 

(7.15)

 

досягає (5-7) Iн. Відповідно до цього до пуску асинхронних електродвигунів пред'являють наступні основні вимоги: кратність пускового моменту k_m=М_п/М_н по можливості повинна бути найбільшою, а кратність пускового струму k_т = I_п/I_н – найменшою. Ці вимоги в основному і визначають способи пуску трифазних асинхронних електродвигунів.

Пуск короткозамкнених електродвигунів може бути здійсненим прямим вмиканням у мережу при номінальній чи зниженій напрузі живлення.

 

Рис. 7.5. Схеми пуску короткозамкнених електродвигунів

 

Пуск електродвигунів прямим включенням у мережу при номінальній напрузі найбільш розповсюджений і виробляється автоматичним вимикачем (рис. 7.5, а) чи іншим пусковим пристроєм. Цей спосіб, простий і зручний в експлуатації, але має велику кратністю пускового струму (k_т = 5,0-7,0) і порівняно малу кратність пускового моменту (k_m= 1,0 - 1,8). Тому він застосовується у тих випадках, коли потужність електродвигуна відносно невелика у порівнянні з потужністю джерела живлення.

Пуск асинхронних електродвигунів при зниженій напрузі здійснюється перемиканням обмотки статора із зірки на трикутник (рис. 7.5, б), включенням статора через автотрансформатор (рис. 7.5, в) і введенням у ланцюг статора реактора. В усіх цих випадках знижується напруга на затисках електродвигуна і, отже, зменшується сила пускового струму. Але при цьому пусковий момент електродвигуна зменшується пропорційно квадрата зниженої напруги, унаслідок чого такий спосіб застосовується тільки під час пуску електродвигунів без навантаження.

Пуск електродвигуна за допомогою переключення обмотки статора відбувається у такий спосіб. Перемикач ставлять у положення «Пуск» (Y) і замикають автоматичний вимикач. Після того як електродвигун розів'є номінальну частоту обертання, перемикач швидко переводять у положення «Робота» (Δ). Сила пускового струму при цьому зменшується в три рази.

Під час пуску електродвигуна вмикають статор у мережу через автотрансформатор Т, після того, як електродвигун розів'є номінальну частоту обертання, обмотку статора вмикають на повну напругу мережі, а автотрансформатор відмикають. При цьому сила пускового струму зменшується в k² разів, де k — коефіцієнт трансформації автотрансформатора.

Пуск фазних електродвигунів, як правило, виробляється за допомогою пускового реостата, що вводиться в ланцюг ротора.

Реверс асинхронних електродвигунів можна здійснити шляхом зміни напрямку обертання поля машини, що досягається перемиканням двох будь-яких проводів, що з'єднують обмотку статора з мережею. Гальмування ж цих електродвигунів можна робити: а) за допомогою механічних гальм; б) по способі противвімкнення, коли змінюють напрямок обертання поля шляхом переключення будь-якої пари проводів, що живлять обмотку статора; в) переводом двигуна в генераторний режим з поверненням енергії в мережу: г) електродинамічним способом – шляхом відключення електродвигуна від мережі й увімкнення обмотки його статора під напругу постійного струму чи на батарею конденсаторів.

Регулювати частоту обертання трифазних асинхронних електродвигунів, як видно з виразу:

 

(7.16)

 

можна: а) зміною ковзання s; б) зміною числа пар полюсів р; в) зміною частоти струму статора f₁.

Регулювання частоти обертання зміною ковзання застосовується тільки для фазних електродвигунів.

Регулювання частоти обертання зміною числа пар полюсів засноване на зміні частоти обертання магнітного поля, що визначається зі співвідношення n₁ = 60f₁/р. Дійсно, при зміні числа пар полюсів р буде змінюватися частота обертання поля статора n₁і частота обертання ротора n₂ = (1 - s)·n₁.

Для зміни числа пар полюсів на статорі двигуна укладають дві незалежні обмотки з різною кількістю пар полюсів чи кожну фазну обмотку роблять із двох котушок, з яких комбінують різні з'єднання, одержуючи те чи інше число пар полюсів.

 

література

 

1. Электротехника/А.П. Трегуб/ Под ред. Э.В. Кузнецова. – К: Вища школа, 1987. – 600 с.

2. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 528 с.

3. Верескун В. И., Сафонов А.С. Электротехника и электрооборудование судов: Учебник. – Л.: Судостроение, 1987. – 280 с.

 

 

Навчальне видання

 

Електротехніка

 

Конспект лекцій

Частина перша

 

(для студентів неелектричних спеціальностей)

 

укладач:

 

Костянтин Вадимович Філімоненко

 

Редактор Л.В. Бугокова

Техн. редактор Т.М. Дрововоз

Оригінал-макет О.В. Могильна

 

 

Підписано до друку

Формат 60х84 1/16. Папір типогр. Гарнітура Times.

Друк офсетний. Умов. друк. арк. 3,0. Обл. - вид. арк.. ,

Тираж 100 прим. Вид. № . Замов. № . Ціна договірна.

Видавництво

Східноукраїнського національного університету

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а

Телефон: 8(0642) 41-34-12. Факс: 8(0642) 41-31-60

E-mail: uni @ snu. edu. ua

http: //snu.edu.ua