Асинхронний двигун
Асинхронні електродвигуни(АТ) знаходять у народному господарстві широке застосування. За різними даними, до 70% всієї електричної енергії, що перетворюється на механічну енергію обертального або поступального руху, споживається асинхронним двигуном. Електричну енергію на механічну енергію поступального руху перетворюють лінійні асинхронні електродвигуни, які широко використовуються в електричній тязі, для виконання технологічних операцій. Широке застосування АТ пов'язане з низкою їх переваг.Асинхронні двигуни- це найпростіші в конструктивному відношенні та у виготовленні, надійні та найдешевші з усіх типів електричних двигунів. Вони не мають щітковоколекторного вузла або вузла ковзного струмознімання, що крім високої надійності забезпечує мінімальні експлуатаційні витрати. Залежно від числа фаз живлення розрізняють трифазні і однофазні асинхронні двигуни.Трифазний асинхронний двигунза певних умов може успішно виконувати свої функції та при живленні від однофазної мережі. АТ широко застосовуються не тільки в промисловості, будівництві, сільському господарстві, а й у приватному секторі, у побуті, у домашніх майстернях, на садових ділянках.Однофазні асинхронні двигуниобертають пральні машини, вентилятори, невеликі деревообробні верстати, електричні інструменти, насоси для подачі води. Найчастіше для ремонту чи створення механізмів та пристроїв промислового виготовлення чи власної конструкції застосовують трифазні АТ. Причому в розпорядженні конструктора може бути трифазна, так і однофазна мережа. Виникають проблеми розрахунку потужності та виборудвигуна для того чи іншого випадку, вибору найбільш раціональної схеми керування асинхронним двигуном, розрахунку конденсаторів, що забезпечують роботу трифазного асинхронного двигуна в однофазному режимі, вибору перерізу та типу проводів, апаратів керування та захисту. Такі практичним проблемам присвячена пропонована увазі читача книга. У книзі наводиться також опис пристрою та принципу дії асинхронного двигуна, основні розрахункові співвідношення для двигунів у трифазному та однофазному режимах.
Пристрій та принцип дії асинхронних електродвигунів
1.Влаштування трифазних асинхронних двигунів
Трьохфазний асинхронний двигун(АТ) традиційного виконання, що забезпечує обертальний рух, являє собою електричну машину, що складається з двох основних частин: нерухомого статора і ротора, що обертається на валу двигуна. Статор двигуна складається з станини, яку впресовують так зване електромагнітне ядро статора, що включає магнітопровід і трифазну розподілену обмотку статора. Призначення ядра - намагнічування машини або створення магнітного поля, що обертається. Магнітопровід статора складається з тонких (від 0,28 до 1 Мм) ізольованих один від одного листів, штампованих із спеціальної електротехнічної сталі. У листках розрізняють зубцеву зону та ярмо (рис. 1.а). Листи збирають і скріплюють таким чином, що в магнітопроводі формуються зубці та пази статора (рис. 1.б). Магнітопровід є мінімальним магнітним опором для магнітного потоку, створюваного обмоткою статора, і завдяки явищу намагнічування цей потік посилює.
Мал. 1Магнітопровід статора
У пази магнітопроводу укладається розподілена трифазна обмоткастатора. Обмотка в найпростішому випадку складається з трьох фазних котушок, осі яких зсунуті в просторі один до одного на 120 °. Фазні котушки з'єднують між собою за схемами зірка або трикутник (рис. 2).
Рис 2.Схеми з'єднання фазних обмоток трифазного асинхронного двигуна в зірку та в трикутник
Більш детальні відомості про схеми з'єднання та умовні позначення початків і кінців обмоток представлені нижче. Ротор двигуна складається з магнітопроводу, також набраного зі штампованих листів сталі, з виконаними в ньому пазами, в яких розміщується обмотка ротора. Розрізняють два види обмоток ротора: фазну та короткозамкнену. Фазна обмотка аналогічна до обмотки статора, з'єднаної в зірку. Кінці обмотки ротора з'єднують разом і ізолюють, а початку приєднують до контактних кільців, що розташовуються на валу двигуна. На контактні кільця, ізольовані один від одного і від валу двигуна і обертаються разом з ротором, накладаються нерухомі щітки, до яких приєднують зовнішні ланцюги. Це дозволяє, змінюючи опір ротора, регулювати швидкість обертання двигуна та обмежувати пускові струми. Найбільшого застосування отримала короткозамкнута обмотка типу «білича клітина». Обмотка ротора великих двигунів включає латунні або мідні стрижні, які вбивають у пази, а по торцях встановлюють короткозамикаючі кільця, до яких припаюють або приварюють стрижні. Для серійних АТ малої та середньої потужності обмотку ротора виготовляють шляхом лиття під тиском алюмінієвого сплаву. При цьому в пакеті ротора 1 заодно відливаються стрижні 2 і кільця, що коротко замикають 4 з крильцями вентиляторів для поліпшення умов охолодження двигуна, потім пакет напресовується на вал 3. (рис. 3). На розрізі, виконаному на цьомумалюнку, видно профілі пазів, зубців та стрижнів ротора.
Мал. 3.Ротор аснхронного двигуна з короткозамкнутою обмоткою
Загальний вигляд асинхронного двигуна 4А серії представлений на рис. 4 [2]. Ротор 5 напресовується на вал 2 і встановлюється на підшипниках 1 і 11 у розточуванні статора в щитах підшипникових 3 і 9, які прикріплюються до торців статора 6 з двох сторін. До вільного кінця валу 2 приєднують навантаження. На іншому кінці валу зміцнюють вентилятор 10 (двигун закритого виконання, що обдувається), який закривається ковпаком 12. Вентилятор забезпечує більш інтенсивне відведення тепла від двигуна для досягнення відповідної навантажувальної здатності. Для кращої тепловіддачі відливають станину з ребрами 13 практично по всій поверхні станини. Статор та ротор розділені повітряним зазором, який для машин невеликої потужності знаходиться в межах від 0,2 до 0,5 мм. Для прикріплення двигуна до фундаменту, рами або безпосередньо до механізму, що приводиться в рух на станині передбачені лапи 14 з отворами для кріплення. Випускаються також двигуни фланцевого виконання. У таких машин на одному з підшипникових щитів (зазвичай з боку валу) виконують фланець, що забезпечує приєднання двигуна до робочого механізму.
Мал. 4.Загальний вид асинхронного двигуна серії 4А
Випускаються також двигуни, що мають і лапи, і фланець. Розміри установок двигунів (відстань між отворами на лапах або фланцях), а також їх висоти осі обертання нормуються. Висота осі обертання - це відстань від площини, де розташований двигун, до осі обертання валу ротора. Висоти осей обертання двигунів невеликої потужності: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100 мм.
2.Принцип дії трифазнихасинхронних двигунів
Вище зазначалося, що трифазна обмотка статора служить для намагнічування машини або створення так званого магнітного поля двигуна, що обертається. У основі принципу дії асинхронного двигуна лежить закон електромагнітної індукції. Магнітне поле статора, що обертається, перетинає провідники короткозамкнутої обмотки ротора, чому в останніх наводиться електрорушійна сила, що викликає в обмотці ротора перебіг змінного струму. Струм ротора створює власне магнітне поле, взаємодія його з магнітним полем статора, що обертається, призводить до обертання ротора слідом за полями. Найбільш наочно ідею роботи асинхронного двигуна ілюструє простий досвід, який у XVIII столітті демонстрував французький академік Араго (рис. 5). Якщо підковоподібний магніт обертати з постійною швидкістю поблизу металевого диска вільно розташованого на осі, то диск почне обертатися слідом за магнітом з деякою швидкістю, меншою швидкості обертання магніту.
Мал. 5. Досвід Араго, що пояснюєпринцип роботи асинхронного двигуна
Це пояснюється з урахуванням закону електромагнітної індукції. Під час руху полюсів магніту біля поверхні диска в контурах під полюсом наводиться електрорушійна сила і з'являються струми, які створюють магнітне поле диска. Читач, якому важко уявити провідні контури в суцільному диску, може зобразити диск у вигляді колеса з безліччю провідних струмів спиць, з'єднаних ободом і втулкою. Дві спиці, а також з'єднують їх сегменти обода і втулки і є елементарним контуром. Поле диска зчіплюється з полем полюсів постійного магніту, що обертається, і диск захоплюється власним магнітним полем. Очевидно, найбільша електрорушійна сила буде наводитися вконтурах диска тоді, коли диск нерухомий, і навпаки, найменша, коли близька до швидкості обертання диска. Перейшовши до реальногоасинхронного двигунавідзначимо, що короткозамкнуту обмотку ротора можна уподібнити диску, а обмотку статора з магнітопроводом - магніту, що обертається. Однак обертання магнітного поля в нерухомому статорі здійснюється завдяки трифазній системі струмів, які протікають в трифазній обмотці з просторовим зрушенням фаз.