Асинхронный двигатель.

Принцип действия основан на использовании явления вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Примечание: для упрощения понимания создания вращающегося магнитного поля следует вспомнить об обратимости электрических и электромагнитных явлений. Так, например, для получения 3-х фазного переменного напряжения при помощи 3-х фазного генератора необходимо было вращать ротор с его магнитным полем. Но если, наоборот, подать 3-х фазное напряжения на статорные обмотки, то они создают вращающееся магнитное поле. Причем, за один период изменения тока в любой статорной обмотке магнитное поле повернётся на 360 градусов, т.е. на 1 оборот.

Простейший асинхронный двигатель состоит из статора и ротора. В пазах сердечника статора укладывают 3 обмотки, смещенные относительно друг друга на 120 градусов. Концы обмоток выводятся в клемную коробку двигателя, где они соединяются между собой или по схеме «звезда» или «треугольник».

Ротор представляет собой вал с шихтованным сердечником и в пазы сердечника, без изоляции, укладывают обмотку типа «беличьей клетки». Такой ротор называют короткозамкнутым. В маломощных машинах обмотку ротора выполняют заливкой алюминиевого сплава в пазы ротора. При этом отливку выполняют за одно целое с короткозамыкающими кольцами и лопатками вентилятора.

Принцип действия:

При подаче 3-х фазного напряжения на статорные обмотки двигателя они создают вращающееся магнитное поле. Данное магнитное поле пересекает проводники ротора и в них индуктируется ЭДС. Так как проводники ротора замкнуты между собой, то под действием ЭДС по ним потечет ток. На проводники с током ротора, находящимся в магнитном поле статора, будут действовать выталкивающие силы. Эти выталкивающие силы и создают вращающий момент на валу ротора, под действием которого ротор вращается в ту же сторону, куда вращается магнитное поле статора.

Частота вращения магнитного поля статора обозначается – n₁,и определяется по формуле:

n₁= 60f/P

где: f – частота питающего тока

P –число пар полюсов

60 –коэффициент перевода единиц измерения из об/сек в об/мин

На локомотивах применяют асинхронные двигатели с разным количеством обмоток. Причем, количество обмоток всегда кратно 3. Таким образом, двигатели могут иметь 3 обмотки, 6 обмоток, 9 обмоток и т.д. Каждые 3 обмотки у асинхронного двигателя приравнивается к одной паре полюсов. Соответственно, при увеличении количества статорных обмоток частота вращения магнитного поля уменьшается.

Данные о величине частоты вращения разнополюсных машин при питании током промышленной частоты (f=50Гц) приведены в таблице:

Частота вращения ротора обозначается – n2

Для того, чтобы на валу ротора создавался вращающий момент, необходимо выполнение данного условия:

n2‹ n₁

Поэтому такие двигатели называются асинхронными. Приставка «а» означает «не», то есть несинхронные двигатели.

Отставание ротора от магнитного поля статора характеризуется скольжением (S). Скольжение определяется по данной формуле:

S= (n₁ –n₂)/ n₁ ×100%

Скольжение показывает, на сколько процентов частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статорных обмоток. Значение n₂ при определенном скольжении для различных асинхронных двигателей приведены в таблице:

Механическая характеристика и свойства асинхронных двигателей.

Механическая характеристика – представляет собой графическую зависимость частоты вращения ротора (n₂) от величины вращающего момента (М_вр). При снятии данной характеристики вращающий момент изменяют за счет изменения механической нагрузки на валу двигателя.

Данная характеристика показывает:

1. При М_вр=0, частота вращения ротора(n₂) равна частоте вращения магнитного поля статорных обмоток (n₁). Но в реальности, даже в режиме холостого хода, на вал двигателя будет действовать момент сопротивления (трение в подшипниках крепления вала, сопротивления от воздушной среды и т.д.). Поэтому, по принципу саморегулирования, на валу двигателя всегда будет создаваться вращающий момент, компенсирующий момент сопротивления. Следовательно, всегда будет выполняться условие n2‹ n1

2. Верхняя часть характеристики до точки В считается рабочей. По этой части характеристики видно, что при увеличении механической нагрузки на валу частота вращения ротора уменьшается незначительно. Соответственно, асинхронный двигатель обладает жесткой частотной характеристикой.

3. В точке В асинхронный двигатель развивает максимальный вращающий момент, который называется критическим моментом. Для большинства асинхронных двигателей такой момент возникает при величине скольжения Sкрит=10-20%.Если величина механической нагрузки будет больше М_кр, то происходит «опрокидование» двигателя, то есть вращающий момент резко уменьшается и ротор останавливается. Данный процесс показан нижней частью механической характеристики.

Примечание: при опрокидывании двигателя и остановке ротора, статорные обмотки начинают потреблять большие пусковые токи, которые могут привести к сгоранию изоляции данных обмоток.

4. Рабочая часть механической характеристики между точками А и В показывает величину перегрузочной способности данного асинхронного двигателя.

Свойства асинхронных двигателей.

1. В момент пуска асинхронный двигатель потребляет большой ток ( в 5 – 7 раз больше I_ном), что соответствует режиму короткого замыкания. А пусковой вращающий момент – небольшой, так как машина сильно размагничена. Поэтому рекомендуется запускать асинхронные двигатели без механической нагрузки на валу.

2. Асинхронные двигатели, работающие с начальной нагрузкой (тяговые, крановые, лифтовые) имеют фазный ротор, имеющий 3 контактных кольца для создания большего пускового вращающего момента.

3. Асинхронный двигатель боится однофазного пуска. Так как при питании однофазным током создается пульсирующее магнитное поле, которое не может раскрутить ротор машины, но двигатель в данном случае потребляет большие пусковые токи, которые могут привести к сгоранию изоляции статорных обмоток.

Примечание: асинхронный двигатель может работать от однофазной сети, но с предварительно раскрученным ротором. При этом величина критического вращающего момента уменьшается, следовательно, двигатель при таком питании обладает меньшей перегрузочной способностью.

4. Асинхронный двигатель боится снижения питающего напряжения. При снижении питающего напряжения на 30% (что вполне допустимо для многих питающих сетей), вращающий момент уменьшается в 2 раза и под действием механической нагрузки на валу ротор может остановиться, что может привести к сгоранию изоляции статорных обмоток из-за действия больших пусковых токов.

5. Для реверсирования асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две питающие фазы.

6. Одной из технических характеристик асинхронного двигателя является коэффициент cosφ,характеризующий дополнительные потери энергии в цепях переменного тока и, вследствие этого, уменьшение КПД (для машин переменного тока мощность Р=U*I*cosφ, cosφ примерно =0.7).

7. Регулировка скорости вращения требует изменения частоты тока f, т.е. дополнительного электронного (тиристорного) оборудования.

Прим. Преимущества асинхронных двигателей:

1.Из-за отсутствия коллектора нет проблем с коммутацией и искрением под щетками.

2.Простота обслуживания.

3.Возможность регулировки мощности с помощью изменения схемы подключения «звездой» и «треугольником».

4.Отсутствие изоляции в короткозамкнутых роторах.

5.Возможность питания от одной фазы.