Електропривід асинхронним двигуном

Асинхронний двигун складається з двох основних частин: нерухомої – статора та рухомої – ротора. Статор і ротор виготовляють з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. У спеціальних пазах (гарах), виконаних вздовж твірних внутрішньої поверхні статора та зовнішньої поверхні ротора, укладають відповідно обмотки статора і ротора. Осердя статора закріплюють у станині, встановленій на фундаменті. Феромагнітне осердя ротора монтують на осі (валу). Кінці вала опираються на підшипники (вальниці) кочення, які вмонтовані у щити, а щити прикріплюють до станини. Асинхронні двигуни бувають з фазним ротором та короткозамкненим ротором. У електродвигуні з короткозамкненим ротором пази (гари) осердя ротора заливають розтопленим алюмінієм, а початки та кінці утворених у пазах стрижнів відповідно сполучають кільцями так, що вони утворюють подобу клітки для білки. Двигуни з фазним ротором мають трифазну обмотку ротора, кінці якої сполучені між собою, а початки виведені на контактні кільця, закріплені на валу ротора. Кільця ізольовані від вала та між собою, обертаються разом з валом та з’єднані з зовнішнім колом через контактні щітки. У зовнішнє коло ротора вмикають реостати (додаткові резистори). Обмотка статора складається з трьох фазних обмоток, геометричні осі яких зсунуті між собою на 120⁰. Після увімкнення фаз обмоток до відповідних фаз трифазної мережі живлення, у просторі машини утворюється обертове магнітне поле зі сталим за значенням магнітним потоком. Кутова швидкість обертання магнітного поля ω₀ та частота обертання магнітного поля статора двигуна n₀ залежать від частоти струму мережі живлення f та кількості пар полюсів обмотки статора р: ω₀ =2πf/p , рад·с^-1; n₀ =60 f/p , обертів/хвилину.

Обертаючись відносно осі машини, магнітне поле перетинає обмотку ротора, індукує у ній електрорушійну силу (ЕРС), під дією якої в обмотці ротора протікає трифазний струм, який своєю чергою утворює обертове магнітне поле. Взаємодією двох магнітних потоків статора і ротора на валу ротора виникає механічний момент, під дією якого ротор обертається з кутовою швидкістю ω, близькою до ω₀, тобто ω ≠ ω₀ . Якщо б ці швидкості стали рівними, то не було би перетинання магнітним полем статора витків обмотки ротора, не індукувався б струм у роторі і момент двигуна дорівнював би нулю. Відставання ротора відносно магнітного поля статора характеризується ковзанням s:

s = (ω₀- ω)/ ω₀ , або s =( n₀ - n)/ n₀ .

Частота обертання ротора n=n₀(1-s) = 60 f₁(1-s)/p.

Діюче значення ЕРС, що наводяться у кожній фазі статора та у кожній фазі нерухомого ротора дорівнює:

E₁=4,44f₁w₁Ф_mК_о1 , E₂=4,44f₂w₂Ф_mК_о2,

де f₁= f₂ – відповідно частота прикладеної до статора напруги та частота струму у нерухомому роторі; w₁, w₂ – відповідно кількості витків обмотки статора і ротора; К_о1, К_о2 – відповідно обмоткові коефіцієнти статора і ротора.

Діюче значення ЕРС обмотки ротора під час обертання E_2s= E₂·s .

Електромагнітний момент двигуна М_ЕМ , що змушує ротор обертатися у напрямку обертання магнітного поля статора, залежить від напруги живлення U та від ковзання s:

,

де С_М – сталий коефіцієнт для машини; R₂, X₂ – відповідно активний та індуктивний опір обмотки ротора.

Електромагнітна потужність визначається добутком електромагнітного моменту на кутову швидкість обертання магнітного поля:

Р_ЕМ= М_ЕМ ω₀ = М_ЕМ 2π n₀/60 .

Механічна потужність на валу дорівнює добутку електромагнітного моменту на кутову швидкість обертання ротора:

Р_МЕХ = М_ЕМ ω= М_ЕМ 2π n/60.

Асинхронні двигуни нормують за механічною потужністю на валу- Р_МЕХ .

Під час роботи двигуна виникають втрати потужності у активних опорах обмоток ротора ΔР_Р та статора ΔР_С, у сталі осердь статора і ротора - ΣΔР_СТ, а також механічні втрати на тертя у підшипниках, тертя ротора об повітря, вентиляцію двигуна - ΔР_МЕХ . Сумарні втрати активної потужності ΔР_ВТР у асинхронному двигуні дорівнюють:

ΔР_ВТР = ΔР_С + ΣΔР_СТ.+ ΔР_Р + ΔР_МЕХ .

Електромагнітна потужність двигуна дорівнює Р_ЕМ = Р_МЕХ +ΔР_Р + ΔР_МЕХ , а потужність, яку споживає двигун з мережі - Р_Е = Р_ЕМ +ΔР_С + ΣΔР_СТ. .

Потужність Р_Е, яку споживає двигун з електромережі, більша від механічної потужності Р_МЕХ на валу двигуна на величину втрат потужності ΔР_ВТР : Р_Е= Р_МЕХ+ ΔР_ВТР . Відношення Р_МЕХ /Р_Е називають коефіцієнтом корисної дії асинхронного двигуна - η :

.

Електропривод з використанням асинхронних двигунів характеризується великим споживанням реактивної потужності. Коефіцієнт потужності асинхронних двигунів cos φ= 0,6 – 0,87.

Коефіцієнт корисної дії та коефіцієнт потужності асинхронного двигуна залежить від його завантаження (табл.. 3.1).

Для зміни напрямку обертання ротора двигуна необхідно змінити чергування фаз напруги джерела живлення: наприклад, замість черговості фаз А, В, С установити черговість А, С, В. Таким чином для зміни напряму обертання на протилежний необхідно за допомогою комутаційної апаратури поміняти місцями будь-які дві фази у колі живлення двигуна. Зміна напрямку обертання називається реверсом двигуна.

Таблиця 3.1

Залежність η та cos φ від завантаження двигуна

Під час пуску двигуна у колі статора і ротора проходять пускові струми, значення яких у 7 – 10 разів перевищує номінальний струм. Пускові струми асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором обумовлюють необхідність (для запобігання недопустимих коливань напруги) підвищення потужності джерела живлення і зменшення опору елементів електричних мереж.

У зв‘язку з тим, що обертовий момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату прикладеної напруги живлення, на режими роботи двигуна можуть суттєво впливати відхилення напруги мережі від номінального значення.

Рис. 3.6. Принципова схема керування асинхронним двигуном	Рис. 3.7. Принципова схема керування двигуном постійного струму з перетворювачем VS

На рис 3.6 наведена принципова схема керування асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором. Для дистанційного керування асинхронним двигуном застосовують магнітний пускач КМ. Котушка електромагніта пускача живиться від напруги мережі після увімкнення рубильника QS через замикаючі контакти кнопки “Пуск”, розмикаючі контакти кнопки “Стоп”, розмикаючі контакти теплового реле КА. Після замикання кнопки “Пуск” котушка КМ отримує живлення і замикає силові контакти КМ у колі живлення двигуна М та контакти блокування 1КМ, які шунтують кнопку “Пуск”. Для зупинки двигуна достатньо короткочасно розімкнути коло живлення котушки КМ кнопкою “Стоп” або контактами КА. Для повторного запуску необхідно повторити операції пуску. Контакти КА теплового реле розмикаються у разі тривалого перевищення струму у фазах двигуна розрахункового значення (тепловий захист двигуна).

Сьогодні поширюється частотний спосіб регулювання двигунів. Він базується на тому, що швидкість обертання двигуна залежить від частоти змінного струму: n = 60 f /p , де f – частота струму, p – кількість пар полюсів двигуна. Для забезпечення необхідних характеристик двигуна необхідно одночасно з частотою змінювати й напругу живлення. Розрізняють перетворювачі безпосереднього перетворення частоти (циклоконвертори) і перетворювачі з ланкою постійного струму. Принципові схеми таких електроприводів наведені на рис. 3.8 і рис. 3.9.

Рис. 3.8. Принципова схема електроприводу з циклоконвертором	Рис. 3.9. Принципова схема електроприводу з ланкою постійного струму