ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Будова і принцип дії трифазної асинхронної машини

11.1.1. Будова асинхронної машини. Асинхронна машина, як і будь-яка електрична машина, може працювати в режимі двигуна і режимі генератора.

На рис.11.1 показана будова АД. Його основними конструктивними елемен­тами є нерухомий статор і обертовий ротор. Статор складається із станини 1 (рис.11.2), що є одночасно корпусом двигуна, і закріплених у ній магнітопроводу 2 і обмотки 3. Магнітопровід статора, який являє собою основну частину магніт­ного кола машини, виконаний з шихтованої електротехнічної сталі. На його внут­рішній циліндричній поверхні є пази, в які укладають провідники обмотки стато­ра. До станини кріплять два бічних щити 4 з наскрізними центральними отворами для підшипників вала ротора. Ротор АД 5 (рис. 11.2) складається з пакета магніто­проводу і обмотки. Насаджений на вал 6 пакет магнітопроводу має форму цилінд­ра, на зовнішній поверхні якого виконані пази, де розмішується обмотка.

Залежно від типу обмотки ротор АД може бути короткозамкненим або фазним. У пази короткозамкнених роторів вкладені мідні стрижні, що з'єдну­ються з торців короткозамкненими кільцями; така обмотка має вигляд «білячої клітки» (рис. 11.3,а). Умовне графічне позначення асинхронного двигуна з ко­роткозамкненим ротором наведене на рис. 11.3,а.

б

Рис.11.3 - Обмотки ротора АД: а - короткозамкнена; б - з фазним ротором.

У пази фазного ротора укладають провідники секцій трифазної обмотки, що з'єднується в «зірку» (рис. 11.3,б). Вільні виводи фаз обмотки ротора приєднують до трьох (за числом фаз) ізольованих одне від одного контактних кілець. На кільця

накладені закріплені в щіткотримачах щітки, за допомогою яких обмотки ротора з'єднується з регулювальним або пусковим реостатом. Умовне графічне позначен­ня асинхронного двигуна з фазним ротором наведене на рис. 11.3,б.

11.1.2. Принцип роботи асинхронної машини заснований на викорис­танні обертового магнітного поля. При підключенні до мережі трифазної обмо­тки статора створюється обертове магнітне поле, кутова швидкість якого ви­значається частотою мережі f і числом пар полюсів обмотки р:

2ж • f 0 = , рад/c.

Р

Перетинаючи провідники обмотки статора і ротора, це поле відповідно до закону електромагнітної індукції наводить в обмотках ЕРС. При замкнутій обмот­ці ротора в її колі протікає струм, взаємодія якого з результуючим магнітним по­лем створює електромагнітний момент на валу асинхронної машини. Якщо цей момент перевищує момент опору на валу двигуна, вал починає обертатися і обер­тає робочий механізм. Кутову швидкість магнітного поля ті називають синхро­нною. Звичайно кутова швидкість ротора т2 не дорівнює кутовій швидкості маг­нітного поля ті. Звідси і назва двигуна асинхронний, тобто несинхронний.

Робота асинхронної машини характеризується ковзанням s, що являє со­бою відносну різницю кутових швидкостей поля ю1 і ротора ю2:

s = 0 ~ 0 . (11.1)

ю

Значення і знак ковзання залежать від кутової швидкості ротора відносно магнітного поля і визначають режим роботи асинхронної машини. Так, у режи­мі ідеального холостого ходу ротор і магнітне поле обертаються з однаковою частотою в одному напрямку, тобто ротор нерухомий відносно обертового маг­нітного поля, і ковзання s дорівнює нулю. ЕРС в обмотці ротора не індуктуєть - ся, струм ротора й електромагнітний момент машини дорівнюють нулю. При пуску АД в перший момент часу ротор нерухомий: т2 = 0, s = 1. Таким чином, ковзання в режимі двигуна змінюється від s = 1 в початковий момент пуску до s = 0 у режимі ідеального холостого ходу.

При обертанні ротора із швидкістю т2 > т1 у напрямку обертання магніт­ного поля ковзання стає від’ємним. Машина переходить у генераторний режим і розвиває гальмовий момент. При обертанні ротора в напрямку, протилежному напрямку обертання магнітного поля (s > 1), асинхронна машина переходить у режим противключення і також розвиває гальмовий момент. Таким чином, за­лежно від ковзання розрізняють режими двигуна (s = 1 ^ 0), генераторний (s = 0 ^ - да) і противключення (s = 1 ^ +да). Режими генераторний і противклю - чення використовують для гальмування асинхронних двигунів.

У сучасних АД, залежно від їхнього типу, при номінальному навантажен­ні ковзання становить sTOM = 0,015 ^ 0,07.

11.1.3. Схеми з’єднання обмоток статора. Початки фазних обмоток по­значаються C1, C2, C3; кінці - C4, C5, C6. Для включення двигуна до електричної мережі обмотки статора з'єднують в «зірку» або «трикутник». Питання про схему з'єднання вирішують залежно від лінійної напруги мережі і номінальної фазної напруги обмоток статора. Вказівки про це наводять у паспорті двигуна. При схемі з'єднання в «зірку» (рис. 11.4,а) всі три кінці фазних обмоток C4, C5, C6 з'єднують в нульову точку, при схемі з'єднання в «трикутник» (рис. 11.4,б) з'єднують між собою попарно початки й кінці сусідніх фаз: C1 - C6, C2 - C4, C3 - C5. Мережа приєднується в першому випадку до трьох початків обмоток C1, C2, C3, в другому — до загальних точок C1 - C6, C2 - C4, C3 - С5.

а б

Рис.11.4 - Схеми з'єднання фазних обмоток АД: а - «зірка»; б - «трикутник»

11.1. ЕРС статора і ротора

Обертове магнітне поле в кожній з обмоток статора і ротора індуктує змінну ЕРС. ЕРС окремих секцій обмотки мають різні фази і їх необхідно складати як век­тори. Тому загальна ЕРС фазної обмотки менша за арифметичну суму ЕРС окремих секцій. Для врахування цієї обставини до формули ЕРС вводять обмоточний коефі­цієнт k. Таким чином, ЕРС фазної обмотки статора визначається за формулою

Ej = 4М fr wr kr Ф, (11.2)

де f1 - частота струму статора; w1 - число витків фазної обмотки; kj - обмоточ­

ний коефіцієнт статора (kj = 0,9 ^ 0,95); Ф - магнітний потік обертового поля.

Аналогічною формулою визначають ЕРС фази ротора:

E2 = 4,4+f2- W2 к2-Ф, (11.3)

деf - частота струму ротора; w2 - число витків фази ротора; к2 - обмоточний ко­

ефіцієнт ротора. У випадку короткозамкненого ротора к2 = 1.

Магнітне поле, обертаючись у просторі з синхронною швидкістю n1 (об/хв), відносно обертового ротора має швидкість

ns = П1 - П2. (11.4)

За кожний оберт поля відносно ротора фаза його ЕРС змінюється на р-360 електричних градусів, що відповідає р повним періодам ЕРС. Частота ЕРС ро­тора при цьому стає рівною

f = ns-P або f2 = f • s, (11.5)

60

тобто частота ЕРС ротора, а отже, і величина ЕРС E2 (11.3) пропорційні ковзан­ню. Найбільшою частота ЕРС ротора буде в початковий момент пуску, коли s = 1. При цьому вона дорівнює частоті живильної мережі f1. З розгоном двигу­на убуває ковзання і зменшується частота струму ротора. У робочому режимі двигуна, що живиться струмом частотою f = 50 Гц, частота струму ротора ста­новить 1 - 2 Гц. При s =1 f = f1, тоді ЕРС нерухомого ротора має вигляд

E2H = 4,4Ф fr W2- k2• Ф. (11.6)

Підставивши Е2Н у формулу (11.3), одержимо ЕРС обертового ротора:

_ E2 = Eh s. (11.7)

Таким чином, ЕРС E2, як і її частота, з розгоном ротора зменшується. Відношення ЕРС статора E1 (11.2) до ЕРС нерухомого ротора E2H (11.6) нази­вають коефіцієнтом трансформації ЕРС асинхронного двигуна

E1 w1 • k

ke =-^~ = -4L. (11.8)

E2H W2 • k2

ЕРС статора і ротора E1 і Е2 створюються головним обертовим потоком, який замикається через повітряний зазор між статором і ротором. Крім головного потоку, кожна з обмоток створює потік, що зчіплюється лише з нею самою. Цей потік називається потоком розсіювання. Він замикається через пази, а також навколо лобових частин обмоток. З огляду на, те що потоки розсіювання прохо­дять в основному по повітрю, можна вважати їх пропорційними струмам в обмот­ках. Потоки розсіювання індуктують в обмотках статора і ротора ЕРС розсіювання Ep1 і Ер2. Ці ЕРС можуть бути враховані як індуктивні падіння напруги в обмотках:

Epi = - h-Хі = - Ii-ai-Li ; (11.9)

Ep2 = - h - Х2 = - l2-arL2 , (11.10)

де I1 і I2 - струми статора і ротора; Х1 і Х2 - індуктивні опори статорної і ротор­ної обмоток; L1 і L2 - індуктивності розсіювання статора і ротора.

Оскільки ми виходимо з пропорційної залежності між потоками розсіювання і струмами, що їх створюють, то індуктивності розсіювання L1 і L2 є величинами постійними. Вони залежать від конструктивних особливостей обмоток, форми пазів статора й ротора. Оскільки частота ротора не залишається постійною, а залежить від ковзання, залежним від ковзання виявляється і індуктивний опір ротора

Х = rn2L2 = 2nf2L2 = 2nfyL? s, або Х2 = X2h-s, (11.11)

де Х2Н = 2п frL2 - індуктивний опір обмотки нерухомого ротора (при s =1).