Пристрій і принцип дії асинхронних електродвигунів

Електронні машини, що модифікують електричну енергію змінного струму в механічну енергію, називаються
електродвигунами змінного струму.

В індустрії найбільшого поширення набули асинхронні двигуни трифазного струму.
Розглянемо пристрій і принцип дії цих движків.

Принцип дії асинхронного мотора заснований на використанні обертового магнітного поля.

Для з`ясування роботи такого мотора виконаємо наступний досвід.

Зміцнимо підковоподібний магніт на осі таким чином, щоб його можна було крутити за ручку. Між полюсами магніту розташуємо на осі мідний циліндр, здатний вільно крутитися.

Малюнок 1. Проста модель для отримання обертового магнітного поля

Почнемо крутити магніт за ручку за годинниковою стрілкою. Поле магніту також почне крутитися і при обертанні буде перетинати своїми силовими лініями мідний циліндр. У циліндрі, за законом електричної індукції, виникнуть вихрові струми, які створять своє власне магнітне поле - поле циліндра. Це поле буде взаємодіяти з магнітним полем постійного магніту, в результаті чого циліндр почне крутитися в ту ж сторону, що і магніт.

Встановлено, що швидкість обертання циліндра дещо менше швидкості обертання поля магніту.

Дійсно, якщо циліндр крутиться з тією ж швидкістю, що і магнітне поле, то магнітні силові лінії не перетинають його, а як слід, в ньому не з`являються вихрові струми, що викликають обертання циліндра.

Швидкість обертання магнітного поля прийнято називати синхронної, тому що вона дорівнює швидкості обертання магніту, а швидкість обертання циліндра - асинхронної (несинхронної). Тому сам движок отримав назву
асинхронного мотора. Швидкість обертання циліндра (ротора) відрізняється від синхронної швидкості обертання магнітного поля на маленьку величину, іменовану ковзанням.

Позначивши швидкість обертання ротора через
n1 і швидкість обертання поля через n ми можемо
підрахувати величину ковзання в процентах за формулою:

s = (n
- n1) / n.

У наведеному вище досвіді крутиться магнітне поле і викликане ним обертання циліндра ми отримували завдяки обертанню незмінного магніту, тому такий пристрій ще не є електродвигуном. Потрібно змусити електричний струм створювати крутиться магнітне поле і використовувати його для обертання ротора. завдання цю 
свого часу блискуче дозволив М. О. Доліво-Добровольський. Він запропонував використовувати для цієї мети трифазний струм.

Пристрій асинхронного електродвигуна М. О.
Доливо-Добровольського

Малюнок 2. Схема асинхронного електродвигуна
Доливо-Добровольського

На полюсах сталевого сердечника кільцевої форми, іменованого статором електродвигуна, поміщені три обмотки,
мережі трифазного струму 0
розташовані одна щодо іншої під кутом 120 °.

Усередині сердечника укріплений на осі залізний циліндр, іменований ротором електродвигуна.

Якщо обмотки з`єднати між собою так, як показано на малюнку, і підключити їх до мережі трифазного струму, то загальний магнітний потік, створюваний 3-ма полюсами, виявиться, що обертається.

На малюнку 3 показаний графік зміни струмів в обмотках двигуна і процес появи магнітного поля.

Розглянемо - докладніше цей процес.

Малюнок 3. Отримання обертового магнітного поля

У положенні «А» на графіку ток в першій фазі дорівнює нулю, у
2-ий фазі він негативний, а в третій позитивний. Струм по котушок полюсів
потече в напрямку, позначеному на малюнку стрілками.

Визначивши за правилом правої руки напрямок зробленого струмом магнітного потоку, ми переконаємося, що на внутрішньому кінці полюса (зверненому до ротора) третьої котушки буде створений південний полюс (Ю), а на полюсі 2-ий котушки - північний полюс (С). Сумарний магнітний потік буде орієнтований від полюса 2-ий котушки через ротор до полюса третьої котушки.

У положенні «Б» на графіку ток в 2-ій фазі дорівнює нулю, в першій фазі він позитивний, а в третій від`ємний. Струм, протікаючи по котушок полюсів, робить на кінці першої котушки південний полюс (Ю), на кінці третьої котушки північний полюс (С). Сумарний магнітний потік зараз буде орієнтований від третього полюса через ротор до першого полюсу, т. Е. Полюси при цьому перемістяться на 120 °.

У положенні «В» на графіку ток в третій фазі дорівнює нулю, в 2-ій фазі він позитивний, а в першій негативний. Зараз струм, протікаючи по першій і 2-ий котушок, створить на кінці полюса першої котушки - північний полюс (С), а на кінці полюса 2-ий котушки - південний полюс (Ю), т. Е. Полярність сумарного магнітного поля переміститься ще на 120 °. У положенні «Г» на графіку магнітне поле переміститься ще на 120 °.

Таким чином, сумарний магнітний потік буде поміняти свій напрямок з конфігурацією напрямку струму в обмотках статора (полюсів).

При цьому за один період зміни струму в обмотках магнітний потік зробить повний оборот. Крутиться магнітний потік буде захоплювати за собою циліндр, і ми отримаємо таким чином асинхронний електродвигун.

Нагадаємо, що на малюнку 3 обмотки статора з`єднані «зіркою», але крутиться магнітне поле з`являється і при з`єднанні їх «трикутником».

Якщо ми поміняємо місцями обмотки 2-ий і третій фаз, то магнітний потік змінить напрям свого обертання на протилежне.

Того ж результату можна досягти, не змінюючи місцями обмотки статора, а направляючи струм 2-ий фази мережі в третю фазу статора, а третю фазу мережі - в другу фазу статора.

Таким чином, змінити напрямок обертання магнітного поля можна перемиканням 2-ух всіх фаз.

Ми розглянули пристрій асинхронного мотора, що має на статорі три обмотки. В даному випадку крутиться магнітне поле двухполюсное і число його оборотів в секунду дорівнює числу періодів конфігурації струму в секунду.

Якщо на статорі розташувати по колу 6 обмоток, то буде створено чотириполюсні крутиться магнітне поле. При 9 обмотках поле буде шестіполюсним.

При частоті трифазного струму f, що дорівнює 50 періодам за секунду, або 3000 за хвилину, число обертів n обертового поля за хвилину буде:

при двополюсному статорі
n = (50 х 60
) / 1 = 3000 об / хв,

при чотириполюсним статорі n = (50
х 60) / 2 =
1500 об / хв,

при шестіполюсном статорі n = (50 х
60) / 3 =
1000 об / хв, 

при числі пар полюсів статора, що дорівнює 
p: n = (f х
60) / p,

Отже, ми встановили швидкість обертання магнітного поля і залежність її від числа обмоток на статорі двигуна.

Ротор ж мотора буде, наскільки ми знаємо, наскільки відставати у своєму обертанні.

Але відставання ротора дуже маленьке. Так, наприклад, при холостому ході двигуна різниця швидкостей складає всього 3%, а при навантаженні 5
- 7%. Отже, обороти асинхронного мотора при зміні навантаження змінюються в дуже маленьких межах, що є одним з його плюсів.

Розглянемо тепер пристрій асинхронних електродвигунів

Статор сучасного асинхронного електродвигуна має невиражені полюси, т. Е. Внутрішня поверхня статора виготовлена ​​зовсім гладкою.

Щоб зменшити втрати на вихрові струми, сердечник статора набирають з тонких штампованих
залізних листів.

Зібраний сердечник статора закріплюють в залізному корпусі.

У пази статора закладають обмотку з мідного дроту. Фазові обмотки статора електродвигуна з`єднуються «зіркою» або «трикутником», навіщо все початку і кінці обмоток виводяться на корпус - на особливий ізоляційний щиток. Такий пристрій статора дуже комфортно, тому що дозволяє включати його обмотки на різні стандартні напруги.

Ротор асинхронного мотора, подібно статора, набирається з штампованих листів стали. У пази ротора закладається обмотка.

Залежно від конструкції ротора асинхронні електродвигуни діляться на движки з короткозамкненим ротором і фазним ротором.

Обмотка короткозамкнутого ротора виготовлена ​​з мідних стрижнів, які закладаються в пази ротора. Торці стрижнів з`єднані за допомогою мідного кільця. Така обмотка іменується обмоткою
типу «білячої клітини». Зауважимо, що мідні стрижні в пазах не ізолюйте. 

У деяких двигунах «білячу клітку» підміняють литим
ротором.

Асинхронний двигун з фазним ротором (з контактними кільцями) застосовується зазвичай в електродвигунах великої потужності і в тих випадках-коли потрібно, щоб електродвигун створював величезне зусилля при рушанні з місця. Досягається це тим, що в обмотки фазного двигуна включається пусковий реостат.

Короткозамкнені асинхронні двигуни пускаються в хід 2-мя методами:

1) Конкретним підключенням трифазного напруги мережі до статора мотора. Цей метод самий звичайний
і найбільш популярний.

2) Зниженням напруги, що підводиться до обмоток статора. Напруга знижують,
наприклад, перемикаючи обмотки статора з «зірки» на «трикутник». 

Запуск мотора в хід відбувається при з`єднанні обмоток статора «зіркою», а коли ротор досягне звичайного числа обертів, обмотки статора переключаються на з`єднання «трикутником».

Струм в підвідних проводах при цьому способі запуску мотора зменшується в 3 рази в порівнянні з тим струмом, який з`явився б при пуску двигуна прямим включенням в мережу з обмотками статора, сполученими «трикутником». Але цей метод придатний тільки в цьому випадку, якщо статор розрахований для звичайної роботи при з`єднанні його обмоток
«Трикутником».

Найтиповішим, дешевим і надійним є асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором, але цей движок має якісь недоліками - малим зусиллям при рушанні з місця і величезним пусковим струмом. Ці недоліки значною мірою усуваються застосуванням фазного ротора, але застосування такого ротора істотно здорожує движок і просить пускового реостата.