Асынхронныя машыны

Асынхронныя машыны (асынхронны рухавік, асынхронны генэратар) — адзін з тыпаў электрычных машынаў, і самы распаўсюджаны від электрарухавікоў. Як і іншыя віды машынаў, асынхронныя машыны зьяўляюцца зварачальнымі (то бок адна і тая ж машына можа быць як і генэратарам так і рухавіком).

Трохфазныя асынхронныя электрарухавікі

Прынцып дзеяньня

Электрамагнітнае поле, якое круціцца, перасякае праваднікі абмоткі статара і ротара, і накіроўвае ў іх электрарухальную сілу (ЭРС). Калі абмоткі ротара замкнуты, пад дзеяньнем ЭРС ствараецца ток, і пры ўзаемадзеяньні з магнітным полем, якое круціцца, статара, на праваднік узьдзейнічае індукцыя:

${\displaystyle {\vec {dF}}=I{\vec {dl}}\times {\vec {B}}}$

дзе I — сіла току; B — індукцыя магнітнага поля.

Высілак і плячо ствараюць элемэнтарны круцячы электрамагнітны момант, які будзе накіраваны ў бок вярчэньня поля статара.

Канструкцыя

Асынхронная машына мае статар і ротар, падзеленыя паветраным зазорам. Яе актыўнымі часткамі зьяўляюцца абмоткі і магнітапровад; усе астатнія часткі — канструктыўныя, забясьпечваюць неабходную трываласьць, калянасьць, астуджэньне, магчымасьць кручэньня і т. п.

Абмотка статара ўяўляе сабой шматфазную (часьцей за ўсё трохфазную) абмотку, правадыры якой раўнамерна разьмеркаваныя па акружнасьці статара і пафазна выкладзеныя ў пазах з кутняй адлегласьцю 120 электрычных градусаў. Фазы абмоткі статара злучаюць па стандартных схемах «трохкутнік» або «зорка» і далучаюць да сеткі трохфазнага току. Магнітапровад статара перамагнічваецца падчас зьмен (кручэньні) магнітнай плыні абмотак, таму яго вырабляюць шыхтаваным (набраным з пласьцін) з электратэхнічнай сталі для забесьпячэньня мінімальных магнітных страт.

Па канструкцыі ротары асынхронных машыны падзяляюць на два асноўных тыпа: з каротказамкнутым ротарам і з фазным ротарам. Абодва тыпа маюць аднолькавую канструкцыю статара і адрозьніваюцца толькі выкананьнем абмоткі ротара. Магнітапровад ротара выконваецца аналягічна магнітапроваду статара — з электратэхнічнай сталі і шыхтаваным.

Каротказамкнуты ротар

Ротар асынхроннай машыны тыпу «вавёрчына клетка»

Каротказамкнутая абмотка ротара, часта званая «вавёрчына клетка» з-за вонкавага падабенства канструкцыі, складаецца зь медных або алюмініевых стрыжняў, замкнёных накаратка з тарцоў двума кольцамі. Стрыжні гэтай абмоткі ўстаўляюць у пазы стрыжня ротара. У машынах малой і сярэдняй магутнасьці ротар звычайна вырабляюць шляхам заліваньня расплаўленага алюмініевага сплава ў пазы стрыжня ротара. Разам са стрыжнямі «вавёрчынай клеткі» адліваюць каротказамыкальныя кольцы і кантавыя лопасьці, якія ажыцьцяўляюць самавэнтыляцыю самога ротара і машыны ў цэлым. У машынах вялікай магутнасьці «вавёрчыну клетку» выконваюць зь медных стрыжняў, канцы якіх уварваюць у каротказамыкальныя кольцы.

Часьцяком пазы ротара або статара робяць скошанымі для памяншэньня вышэйшых гармонік ЭРС, выкліканых пульсацыямі магнітнага патоку з-за наяўнасьці зубцоў, магнітны супраціў якіх істотна ніжэй магнітнага супраціву абмоткі, а таксама для паніжэньня шуму, выкліканага магнітнымі асаблівасьцямі. Для паляпшэньня пускавых характарыстык асынхроннага электрарухавіка з каротказамкнутым ротарам, а менавіта, павелічэньня пускавога моманту і памяншэньня пускавога току, на ротары ўжываюць адмысловую форму пазоў. Пры гэтым вонкавая ад восі кручэньня частка паза ротара мае меншы перасек чым унутраная. Гэта дазваляе выкарыстаць эфэкт выцясьненьня току, за рахунак якога павялічваецца актыўны супраціў абмоткі ротара пры вялікіх сьлізганьнях (пры пуску).

Асынхронныя рухавікі з каротказамкнутым ротарам маюць невялікі пускавы момант і значны пускавы ток, што зьяўляецца істотным недахопам «вавёрчынай клеткі». Таму іх ужываюць у тых электрычных прывадах, дзе не патрабуюцца вялікія пускавыя моманты. З вартасьцяў трэба адзначыць лёгкасьць у вырабе, і адсутнасьць мэханічнага кантакту са статычнай часткай машыны (напружаньне на ротар падаваць ня трэба, таму няма калектарна-шчоткавага кантакту), што гарантуе даўгавечнасьць і зьніжае выдаткаў на абслугоўваньне. Пры адмысловай канструкцыі ротара, калі магнітапровад ротара застаецца нерухомым, а круціцца ў магнітным зазоры толькі полы цыліндар з алюміну (вавёрчына клетка або каротказамкнутая абмотка ротара) можна дасягнуць малой інэрцыйнасьці рухавіка.

Фазны ротар

Фазны ротар мае шматфазную абмотку (звычайна злучаную па схеме «зорка») і выведзеную на кантактныя кольцы, якія верцяцца разам з валам машыны. З дапамогай мэталаграфітавых шчотак, якія сьлізгаюць па гэтых кольцах, у ланцуг абмоткі ротара ўключаюць пускарэгулюючы рэастат, які выконвае ролю дадатковага актыўнага супраціву, аднолькавага для кожнай фазы. Магчымы адмысловы рэжым працы: пры сілкаваньні абмотак ротара ад сеткі (машына падвойнага сілкаваньня).

У рухавіках з фазным ротарам маецца магчымасьць павялічваць пускавы момант да максымальнага значэньня (у першы момант часу) з дапамогай пускавога рэастата, тым самым памяншаючы пускавы ток. Такія рухавікі ўжываюцца для прывада мэханізмаў, якія пускаюць у ход пры вялікай нагрузцы або патрабавальных плаўнага рэгуляваньня хуткасьці.

Хуткасьць вярчэньня

Пры сілкаваньні абмоткі статара трохфазным токам ствараецца магнітнае поле, якое вярчаецца, сынхронная частасьць вярчэньня якога ${\displaystyle n_{1}\,\!}$ [аб/хвіль] зьвязаная з частасьцю сілкуючай сеткі ${\displaystyle f\,\!}$ [Гц] суадносенасьцю:

${\displaystyle n_{1}={\frac {60f}{p}}}$,

дзе ${\displaystyle p\,\!}$ — колькасьць параў магнітных палюсоў поля статара.

У залежнасьці ад колькасьці пар палюсоў, значэньні поля статара, якое вярчаецца, можа быць (пры частасьці 50 Гц):

n, аб/хв.	${\displaystyle p}$
3000	1
1500	2
1000	3
750	4
600	5
500	6
300	10

З-за таго што частасьці вярчэньня поля статара і поля ротара розныя, то на ротары атрымліваецца хуткасьць вярчэньня на 2-5% меншая. Калі трэба ведаць хуткасьць вярчэньня ротара дакладна, прымяняюць формулу:

${\displaystyle n={{f\cdot 60} \over p}{(1-S)}}$,

дзе: S — сьлізганьне асынхроннага рухавіка

Сьлізгаценьнем называюць рознасьць частот вярчэньня магнітнага поля і ротара.

${\displaystyle s={\frac {n_{1}-n_{2}}{n_{1}}}}$.

Рэжымы працы

Мэханічная характарыстыка асынхроннай машыны: а — рэжым рэкупэрацыі энэргіі ў сетку (генэратарны рэжым), б — рухавіковы рэжым, в — рэжым проціваўключэньня (рэжым электрамагнітнага тормазу).

Асынхронная машына можа працаваць у трох рэжымах: рэжыме рухавіка, рэжыме генэратара, і ў рэжыме электрычнага тормаза

Рухальны рэжым

Калі ротар нерухомы або частата яго кручэньня менш сынхроннай, то варочаючаяся магнітнае поле перасякае праваднікі абмоткі ротара і індукуе ў іх ЭРС, пад дзеяньнем якой на абмотцы ротара ўзьнікае ток. На праваднікі з токам гэтай абмоткі, разьмешчаныя ў магнітным полі абмоткі ўзбуджэньня, дзейнічаюць электрамагнітныя сілы; іх сумарны высілак утворыць электрамагнітны варочаючы момант, які ўцягвае ротар за магнітным полем. Калі гэты момант досыць вялікі, то ротар прыходзіць у кручэньне, і яго частата кручэньня ${\displaystyle n_{2}\,\!}$ [аб/мін] адпавядае роўнасьці электрамагнітнага моманту тармазному, якое ствараецца нагрузкай на вале, сіламі трэньня ў падшыпніках, вэнтыляцыяй і т.д. Частата кручэньня ротара ня можа дасягнуць частаты кручэньня магнітнага поля, бо ў гэтым выпадку кутавая хуткасьць кручэньня магнітнага поля адносна абмоткі ротара стане роўнай нулю, магнітнае поле перастане індукаваць у абмотцы ротара ЭРС і, у сваю чаргу, ствараць круцячы момант; такім чынам, для рухальнага рэжыму працы асынхроннай машыны справядліва няроўнасьць:

${\displaystyle 0\leq n_{2}<n_{1}}$.

Адносная рознасьць частот кручэньня магнітнага поля і ротара завецца сьлізганьнем:

${\displaystyle s={\frac {n_{1}-n_{2}}{n_{1}}}}$.

Відавочна, што пры рухальным рэжыме ${\displaystyle 1\geq s>0\,\!}$.

Рэжым халастога ходу

Рэжым халастога ходу асынхроннага рухавіка ўзьнікае пры адсутнасьці на вале нагрузкі ў выглядзе рэдуктара альбо працоўнага органа. З досьведу халастога ходу могуць быць высьветленыя значэньні намагнічвалага току і магутнасьці страт у магнітаправодзе, у падшыпніках, у вэнтылятары. У рэжыме рэальнага халастога ходу s=0,01-0,08. У рэжыме ідэальнага халастога ходу n₂=n₁, такім чынам s=0.

Спосабы кіраваньня асынхронным рухавіком

Пад кіраваньнем асынхронным рухавіком разумеецца зьмена частаты кручэньня ротара і(або) яго працоўнага моманту. Існуюць наступныя спосабы кіраваньня асынхронным рухавіком:

• рэастатны — зьмена частаты кручэньня АР з фазным ротарам шляхам зьмены супраціву рэастатаў у электрычным ланцугу ротара, акрамя таго гэта павялічвае пускавы момант;
• частотны — зьмена частаты кручэньня АР шляхам зьмены частаты току ў сілкавальнай электрычнай сетцы, што вабіць за сабой зьмену частаты кручэньня поля статара. Ужываецца ўключэньне рухавіка праз частотны пераўтваральнік;
• пераключэньнем абмотак са схемы «зорка» на схему «трохкутнік» падчас пуску рухавіка, што дае паніжэньне пускавых токаў у абмотках прыкладна ў тры разы, але ў той жа час зьніжаецца і момант рухавіка
• імпульсны — падачай напругі сілкаваньня адмысловага выгляду (напрыклад, у выглядзе пілы);
• зьменай ліку пар канцавосьсяў рухавіка (гэта магчыма толькі ў выпадку калі такое пераключэньне прадугледжана канструктыўна);
• зьменай амплітуды сілкавальнай напругі, калі зьмяняецца толькі амплітуда (або дзейснае значэньне) кіруючай напругі. Тады вэктары напружаньняў кіраваньня і ўзрушанасьці застаюцца пэрпэндыкулярныя;
• фазавае кіраваньне характэрна тым, што зьмена частаты кручэньня ротара дасягаецца шляхам зьмены зруху фаз паміж вэктарамі напружаньняў узбуджэньня і кіраваньня;
• амплітудна-фазавы спосаб уключае ў сябе два апісаных вышэй спосабу;
• уключэньне ў ланцуг сілкаваньня статара рэактараў
• індуктыўны супраціўленьне для рухавіка з фазным ротарам

Глядзіце таксама

• Сіла Ампэра

Літаратура

• Курс лекцыяў па дысцыпліне «Электрычныя машыны» для студэнтаў спэцыяльнасьці Электрапрывад (ГДТУ імя П. О. Сухога)
• А. В. Іваноў-Смаленскі. «Электрычныя машыны», Масква: 2006.

Вонкавыя спасылкі

Асынхронныя машыны — сховішча мультымэдыйных матэрыялаў