Zariadenie a princíp činnosti asynchrónnych elektromotorov

Elektrické autápremena elektrickej energie zo striedavého prúdu na mechanickú energiu sa nazývajú striedavé elektromotory.

V priemysle sú najrozšírenejšie asynchrónne trojfázové motory. Pozrime sa na zariadenie a princíp fungovania týchto motorov.

Princíp činnosti indukčného motora je založený na použití rotujúceho magnetického poľa.

Aby sme pochopili fungovanie takéhoto motora, vykonáme nasledujúci experiment.

Budeme posilňovať magnet podkovy na osi, aby sa dala otáčať za rukoväť. Medzi póly magnetu umiestnime pozdĺž osi medený valec, ktorý sa môže voľne otáčať.

Obrázok 1. Najjednoduchší model na získanie rotujúceho magnetického poľa

Začnime otáčať magnet rukoväte v smere hodinových ručičiek. Pole magnetu sa tiež začne otáčať a pri otáčaní bude svojimi siločiarami križovať medený valec. Vo valci podľa zákona elektromagnetickej indukcie, bude mať vírivé prúdyktorí si vytvoria svoje vlastné magnetické pole — pole valca. Toto pole bude interagovať s magnetickým poľom permanentného magnetu, čo spôsobí, že sa valec bude otáčať v rovnakom smere ako magnet.

Zistilo sa, že rýchlosť otáčania valca je o niečo menšia ako rýchlosť otáčania magnetického poľa.

V skutočnosti, ak sa valec otáča rovnakou rýchlosťou ako magnetické pole, potom ho siločiary magnetického poľa nepretínajú a preto v ňom nevznikajú vírivé prúdy, ktoré spôsobujú otáčanie valca.

Rýchlosť otáčania magnetického poľa sa zvyčajne nazýva synchrónna, pretože sa rovná rýchlosti otáčania magnetu a rýchlosť otáčania valca je asynchrónna (asynchrónna). Preto sa samotný motor nazýva indukčný motor... Rýchlosť otáčania valca (rotora) sa líši od synchrónna rýchlosť otáčania magnetického poľa s malým množstvom sklzu.

Označuje rýchlosť otáčania rotora cez n1 a rýchlosť otáčania poľa cez n môžeme vypočítať percentuálny sklz podľa vzorca:

s = (n — n1) / n.

Vo vyššie uvedenom experimente sme získali rotujúce magnetické pole a rotáciu valca spôsobenú rotáciou permanentného magnetu, preto takéto zariadenie ešte nie je elektromotor... Malo by sa to urobiť elektriny vytvorte rotujúce magnetické pole a použite ho na otáčanie rotora. Tento problém bravúrne vyriešil svojho času M. O. Dolivo-Dobrovolski. Na tento účel navrhol použiť trojfázový prúd.

Zariadenie asynchrónneho elektromotora M. O. Dolivo-Dobrovolski

Obrázok 2. Schéma asynchrónneho elektromotora Dolivo-Dobrovolsky

Na póloch prstencového železného jadra, nazývaného stator motora, sú umiestnené tri vinutia, siete trojfázového prúdu 0 umiestnené navzájom pod uhlom 120 °.

Vo vnútri jadra je kovový valec, takzvaný rotor elektromotora.

Ak sú cievky prepojené, ako je znázornené na obrázku, a pripojené k sieti s trojfázovým prúdom, potom sa celkový magnetický tok vytvorený tromi pólmi ukáže ako rotujúci.

Obrázok 3 znázorňuje graf zmien prúdov vo vinutí motora a proces vzniku rotujúceho magnetického poľa.

Pozrime sa na tento proces podrobnejšie.

Obrázok 3. Získanie rotujúceho magnetického poľa

V polohe «A» grafu je prúd v prvej fáze nulový, v druhej fáze je záporný a v tretej kladný. Prúd preteká pólovými cievkami v smere označenom šípkami na obrázku.

Po určení, podľa pravidla pravej ruky, smeru magnetického toku vytvoreného prúdom, zabezpečíme, že južný pól (S) bude vytvorený na konci vnútorného pólu (smerom k rotoru) tretieho vinutia a severný pól (C ) vznikne na póle druhej cievky. Celkový magnetický tok bude smerovať od pólu druhej cievky cez rotor k pólu tretej cievky.

V polohe «B» grafu je prúd v druhej fáze nulový, v prvej fáze kladný a v tretej záporný. Prúd pretekajúci pólovými vinutiami vytvára južný pól (S) na konci prvého vinutia a severný pól (C) na konci tretieho vinutia. Celkový magnetický tok bude teraz smerovať z tretieho pólu cez rotor k prvému pólu, to znamená, že póly sa posunú o 120°.

V polohe «B» grafu je prúd v tretej fáze nulový, v druhej fáze je kladný a v prvej fáze záporný.Teraz prúd pretekajúci cez prvú a druhú cievku vytvorí severný pól (C) na pólovom konci prvej cievky a južný pól (S) na pólovom konci druhej cievky, t.j. , polarita celkového magnetického poľa sa posunie o ďalších 120°. V polohe «G» na grafe sa magnetické pole posunie o ďalších 120°.

Celkový magnetický tok teda zmení svoj smer so zmenou smeru prúdu vo vinutiach (póloch) statora.

V tomto prípade počas jednej periódy zmeny prúdu v cievkach vykoná magnetický tok úplnú revolúciu. Rotujúci magnetický tok bude ťahať valec so sebou a tým získame asynchrónny elektromotor.

Pripomeňme si, že na obrázku 3 sú vinutia statora zapojené do hviezdy, ale keď sú zapojené do trojuholníka, vytvára sa rotujúce magnetické pole.

Ak prehodíme vinutia druhej a tretej fázy, magnetický tok obráti smer otáčania.

Rovnaký výsledok možno dosiahnuť bez zmeny vinutia statora, ale nasmerovaním prúdu druhej fázy siete do tretej fázy statora a tretej fázy siete do druhej fázy statora.

Preto môžete zmeniť smer otáčania magnetického poľa prepnutím dvoch fáz.

Uvažovali sme o zariadení s indukčným motorom s tromi statorovými vinutiami... V tomto prípade je rotujúce magnetické pole bipolárne a počet otáčok za sekundu sa rovná počtu periód zmeny prúdu za jednu sekundu.

Ak je na stator po obvode umiestnených šesť cievok, tak štvorpólové točivé magnetické pole... Pri deviatich cievkach bude pole šesťpólové.

Pri frekvencii trojfázového prúdu rovnajúcej sa 50 periódam za sekundu alebo 3 000 za minútu bude počet otáčok n rotačného poľa za minútu:

s bipolárnym statorom n = (50 NS 60) / 1 = 3000 ot./min.,

so štvorpólovým statorom n = (50 NS 60) / 2 = 1500 otáčok,

so šesťpólovým statorom n = (50 NS 60) / 3 = 1000 otáčok,

s počtom párov statorových pólov rovným p: n = (f NS 60) / p,

Stanovili sme teda rýchlosť otáčania magnetického poľa a jeho závislosť od počtu vinutí statora motora.

Ako vieme, rotor motora bude vo svojej rotácii trochu zaostávať.

Oneskorenie rotora je však veľmi malé. Napríklad pri voľnobehu je rozdiel otáčok len 3% a pri zaťažení 5-7%. Preto sa rýchlosť indukčného motora pri zmene zaťaženia mení vo veľmi malých medziach, čo je jedna z jeho výhod.

Zvážte teraz zariadenie asynchrónnych elektromotorov

Demontovaný asynchrónny elektromotor: a) stator; b) rotor s klietkou nakrátko; c) rotor vo fáze realizácie (1 – rám; 2 – jadro z lisovaných oceľových plechov; 3 – vinutie; 4 – hriadeľ; 5 – posuvné krúžky)

Stator moderného asynchrónneho elektromotora má nevyslovené póly, to znamená, že vnútorný povrch statora je úplne hladký.

Na zníženie strát vírivými prúdmi je jadro statora vytvorené z tenkých lisovaných oceľových plechov. Zostavené jadro statora je upevnené v oceľovom plášti.

V štrbinách statora je položená cievka z medeného drôtu. Fázové vinutia statora elektromotora sú spojené „hviezdou“ alebo „trojuholníkom“, pre ktoré sú všetky začiatky a konce vinutia privedené do telo - na špeciálny izolačný štít. Takéto statorové zariadenie je veľmi pohodlné, pretože vám umožňuje zapnúť jeho vinutia na rôzne štandardné napätia.

Rotor indukčného motora, podobne ako stator, je zostavený z lisovaných oceľových plechov. V drážkach rotora je položená cievka.

V závislosti od konštrukcie rotora sa asynchrónne elektromotory delia na motory s rotorom nakrátko a motory s fázovým rotorom.

Vinutie rotora vo veveričke je vyrobené z medených tyčí vložených do štrbín rotora. Konce tyčí sú spojené medeným krúžkom. Toto sa nazýva kotúľanie veveričiek. Upozorňujeme, že medené tyče v kanáloch nie sú izolované.

V niektorých motoroch je „klietka veveričky“ nahradená odlievaným rotorom.

Motor s asynchrónnym rotorom (so zbernými krúžkami) sa všeobecne používa vo vysokovýkonných elektromotoroch av týchto prípadoch; keď je potrebné, aby elektromotor pri štartovaní vytvoril veľkú silu. To sa dosiahne tým, že vinutia fázového motora sú pripojené štartovací reostat.

Indukčné motory vo veveričke sa uvádzajú do prevádzky dvoma spôsobmi:

1) Priame pripojenie trojfázového sieťového napätia na stator motora. Táto metóda je najjednoduchšia a najpopulárnejšia.

2) Zníženie napätia aplikovaného na vinutia statora. Napätie sa zníži napríklad prepnutím vinutia statora z hviezdy do trojuholníka.

Motor sa spustí, keď sú vinutia statora zapojené do "hviezdy" a keď rotor dosiahne normálnu rýchlosť, vinutia statora sa prepnú do zapojenia "trojuholník".

Prúd v napájacích vodičoch pri tomto spôsobe štartovania motora je znížený 3-krát v porovnaní s prúdom, ktorý by vznikol pri štartovaní motora priamym zapojením do siete so statorovými vinutiami spojenými «trojuholníkom».Táto metóda je však vhodná len vtedy, ak je stator navrhnutý na normálnu prevádzku, keď sú jeho vinutia spojené do trojuholníka.

Najjednoduchší, najlacnejší a najspoľahlivejší je asynchrónny motor s klietkou nakrátko, ale tento motor má určité nevýhody — nízke štartovacie úsilie a vysoký štartovací prúd. Tieto nevýhody sú do značnej miery eliminované použitím fázového rotora, ale použitie takéhoto rotora značne zvyšuje cenu motora a vyžaduje štartovanie reostatom.

Typy asynchrónnych motorov

Hlavným typom asynchrónneho stroja je trojfázový asynchrónny motor... Má tri statorové vinutia umiestnené v uhle 120° od seba. Cievky sú zapojené do hviezdy alebo trojuholníka a sú napájané trojfázovým striedavým prúdom.

Nízkovýkonové motory sú vo väčšine prípadov realizované ako dvojfázové... Na rozdiel od trojfázových motorov majú dve statorové vinutia, v ktorých prúdy musia byť posunuté pod uhlom, aby sa vytvorilo točivé magnetické pole π/2.

Ak sú prúdy vo vinutiach rovnaké vo veľkosti a posunuté vo fáze o 90 °, potom sa prevádzka takéhoto motora nebude nijako líšiť od prevádzky trojfázového. Takéto motory s dvoma statorovými vinutiami sú však vo väčšine prípadov napájané jednofázovou sieťou a posuv blížiaci sa 90 ° je vytvorený umelo, zvyčajne kvôli kondenzátorom.

Jednofázový motor iba jedno vinutie statora je prakticky neaktívne.Pri stojacom rotore vzniká v motore iba pulzujúce magnetické pole a krútiaci moment je nulový. Je pravda, že ak sa rotor takéhoto stroja otáča určitou rýchlosťou, potom môže vykonávať funkcie motora.

V tomto prípade síce bude len pulzujúce pole, ale pozostáva z dvoch symetrických - vpred a vzad, ktoré vytvárajú nerovnaké krútiace momenty - väčší motor a menšie brzdenie, vznikajúce v dôsledku prúdov rotora so zvýšenou frekvenciou (sklz proti spätnému synchrónnemu pole je väčšie ako 1).

V súvislosti s vyššie uvedeným sa jednofázové motory dodávajú s druhým vinutím, ktoré sa používa ako štartovacie vinutie. V obvode tejto cievky sú zaradené kondenzátory na vytvorenie fázového posunu prúdu, ktorého kapacita môže byť dosť veľká (desiatky mikrofarád s výkonom motora menším ako 1 kW).

Riadiace systémy využívajú dvojfázové motory, niekedy nazývané výkonné... Majú dve statorové vinutia posunuté v priestore o 90°. Jedno z vinutí, nazývané poľné vinutie, je priamo pripojené k sieti 50 alebo 400 Hz. Druhá sa používa ako riadiaca cievka.

Na vytvorenie rotujúceho magnetického poľa a zodpovedajúceho krútiaceho momentu musí byť prúd v riadiacej cievke posunutý o uhol blízky 90°. Regulácia otáčok motora, ako bude ukázané nižšie, sa vykonáva zmenou hodnoty alebo fázy prúdu v tejto cievke. Opakom je zmena fázy prúdu v riadiacej cievke o 180° (prepnutie cievky).

Dvojfázové motory sa vyrábajú v niekoľkých verziách:

• s rotorom vo veveričke,

• s dutým nemagnetickým rotorom,

• s dutým magnetickým rotorom.

Lineárne motory

Transformácia rotačného pohybu motora na translačný pohyb orgánov pracovného stroja je vždy spojená s potrebou použitia akýchkoľvek mechanických jednotiek: ozubené tyče, skrutka atď.len podmienečne — ako pohyblivý orgán).

V tomto prípade je vraj motor nasadený. Statorové vinutie lineárneho motora sa vykonáva rovnakým spôsobom ako u objemového motora, ale malo by byť položené iba v drážkach po celej dĺžke maximálneho možného pohybu posuvného rotora. Rotor posúvača je zvyčajne skratovaný, pracovné teleso mechanizmu je s ním kĺbovo spojené. Na koncoch statora musia byť samozrejme zarážky, ktoré zabránia rotoru opustiť pracovné hranice dráhy.