Сучасне життя неможливо уявити без електрики та електричних пристроїв. Найважливішим електричним пристроєм є електрична машина. Саме завдяки їй ми можемо генерувати та використовувати електричну енергію для своїх потреб. Завдяки своїй простоті, дешевизні, надійності та відсутності рухомого контакту найкраще себе зарекомендували асинхронні машини (асинхронні електричні двигуни).

Електричні машини широко використовують на електростанціях, у транспорті, промисловості, системах електроприводу, будівництві, системах автоматичного регулювання і контролю. Електричні двигуни - це машини, які перетворюють електричну енергію на механічну. За принципом роботи електричні машини змінного струму можуть бути синхронні та асинхронні. Асинхронна машина - це машина, у якої ротор обертається з частотою меншою, ніж частота обертання магнітного поля, створюваного обмоткою статора. Асинхронні двигуни становлять понад 95 % усіх електродвигунів, які використовують у народному господарстві. За конструкцією ротора їх поділяють на двигуни з короткозамкненим ротором і двигуни з фазним ротором.

Асинхронні двигуни збуджуються змінним струмом. їх поділяють на без-колекторні (основний тип) та колекторні.

Асинхронні безколекторні двигуни випускають двох основних видів: двигун із короткозамкненим ротором та двигун із фазним ротором (з контактними кільцями).

Незалежно від типу будь-який двигун змінного струму складається з двох частин: нерухомої частини (називається статор) і рухомої (обертової) частини (називається ротор).

За числом фаз двигуни змінного струму бувають: однофазні, двофазні та трифазні.

Переваги асинхронних двигунів: простота і дешевизна, надійність у роботі, достатньо високий ККД.

Недоліки асинхронних двигунів: споживання індуктивного струму, який, намагнічуючи статор, призводить до зниження cos φ мережі; неможливість плавного регулювання частоти обертання валу в широких межах (існують електронні засоби регулювання частоти обертання валу двигуна шляхом зміни частоти змінного струму, але вони достатньо складні і коштують дорого); погані пускові характеристики у двигунів із короткозамкненим ротором.

Однофазний асинхронний двигун

У системах однофазного струму використовують однофазні асинхронні двигуни.

Є два типи однофазних асинхронних двигунів - біфілярні (з пусковою обмоткою) і конденсаторні Відмінність полягає в тому, що в біфілярних однофазних двигунах пускова обмотка працює тільки до розгону мотора. Після цього вона вимикається спеціальним пристроєм - відцентровим вимикачем або пускозахисним реле (в холодильниках), оскільки після розгону вона знижує ККД.

У конденсаторних однофазних двигунах конденсаторна обмотка працює весь час. Дві обмотки - основна і допоміжна - зміщені відносно одна одної на 90°. Завдяки цьому можна змінювати напрямок обертання. Конденсатор на таких двигунах зазвичай кріпиться до корпусу.

Визначити тип двигуна можна за допомогою вимірювань обмоток. Якщо опір допоміжної обмотки менший у два рази (різниця може бути ще більшою), швидше за все, це біфілярний двигун і ця допоміжна обмотка пускова, а отже, у схемі повинен бути присутній вимикач або пускове реле.

Зауважимо, що потрібно знати, де пускова, а де робоча обмотка однофазного двигуна. Пускова і робоча обмотки однофазних двигунів відрізняються і за перерізом проводу, і за кількістю витків. Робоча обмотка однофазного двигуна завжди має більший переріз проводу, а отже, її опір буде меншим.

У конденсаторних двигунах обидві обмотки постійно працюють, і увімкнути однофазний двигун можна за допомогою звичайної кнопки, тумблера, автоматичного вимикача.

На рис. 7.1 зображено загальний вигляд асинхронного однофазного двигуна.

На рис. 7.2 зображено електричну схему увімкнення в мережу однофазного асинхронного двигуна.

Рис. 7.2. Електрична схема увімкнення в мережу однофазного асинхронного двигуна: 1 - робоча обмотка; 2 - пускова обмотка; 3 - ротор; С - конденсатор

Для запуску однофазного асинхронного двигуна необхідно надати ротору початкового напрямку обертання, наприклад поштовхом руки.

На практиці для запуску однофазного асинхронного двигуна у статорі влаштовують додаткову пускову обмотку, вісь якої перпендикулярна осі основної (робочої) обмотки. Для отримання обертового магнітного поля пускова обмотка вмикається через конденсатор, завдяки чому досягається зсув струмів близько π/2.

Для реверсування двигуна необхідно поміняти місцями затискачі робочої або пускової обмоток.

Однофазні асинхронні двигуни найчастіше застосовуються в електричних приладах побутового призначення.

Двофазні асинхронні конденсаторні двигуни

Двофазний асинхронний двигун має на статорі дві обмотки, які займають однакову кількість пазів і зсунуті в просторі одна відносно одної на 90°. Одну обмотку - головну - вмикають безпосередньо в однофазну мережу, а іншу -допоміжну - через робочий конденсатор (рис. 7.3). На відміну від розглянутого вище однофазного асинхронного двигуна з пусковою обмоткою, у конденсаторному двигуні допоміжна обмотка після запуску не вимикається, а залишається увімкненою протягом усього часу роботи, причому змінюється ємність конденсатора.

Найбільший обертовий момент двигун розвиває у разі створення кругового магнітного потоку. У деяких випадках у конденсаторних двигунах, щоб

не обирати режим, коли обертовий момент приймає максимальні значення (під час пуску або в номінальному режимі), передбачають зменшення ємності конденсатора в робочому режимі. Після розгону двигуна від'єднують пусковий конденсатор С_п. Ця операція виконується автоматично, коли частота обертання досягає 75-80 % від номінальної.

Рис. 7.3. Електрична схема конденсаторного двигуна: з пусковим і робочим конденсаторами (а), з порожнистим ротором (б)

У двофазному двигуні, на відміну від трифазного, можна плавно регулювати частоти обертання, тому двофазні двигуни використовують в автоматичних пристроях в якості керованих двигунів. Застосовують два способи: зміну діючого значення напруги і зміну ємності робочого конденсатора.

Цікавими є двигуни з порожнистим ротором. Ротор - циліндр із латуні, міді або алюмінію, який може обертатися в повітряному зазорі між зовнішнім і внутрішнім статорами. Обертове поле спричинює вихрові струми в ци-ліндрі-роторі, які взаємодіють із магнітним полем у повітряному проміжку і створюють обертовий момент двигуна. Циліндр розвиває асинхронну частоту обертання, яка відповідає навантаженню на вал. Головна відмінність таких двигунів - мала інерційність ротора, що є важливим для систем, які швидко реагують на керуючий сигнал.

Конденсаторні асинхронні двигуни за пусковими і робочими характеристиками наближаються до трифазних асинхронних двигунів, мають ККД η = 0,5-07 та коефіцієнт потужності 0,8-0,95. їх широко застосовують в електроприводах малої потужності, в побутових приладах і в лабораторній практиці. За потужностей більших за 1 кВт вони використовуються менше - внаслідок значних розмірів конденсаторів і вартості.

Однофазні та двофазні двигуни застосовують у системах автоматичного керування, побутових приладах і промислових пристроях. Для живлення таких двигунів потрібна однофазна мережа, що дає в одних випадках економію, в інших - зручність в експлуатації. Порівняно з трифазними двигунами однофазні асинхронні двигуни мають суттєві недоліки: малу перенавантажу-вальну здатність, низький ККД, менший коефіцієнт потужності.

Універсальні асинхронні двигуни

Універсальні асинхронні двигуни - це трифазні машини малої потужності, які приєднують як до трифазної, так і до однофазної мереж. У разі живлення від однофазної мережі пускові і робочі характеристики двигунів дещо гірші, ніж у трифазному режимі. Наприклад, універсальні двигуни серії УАД виготовляють дво- і чотириполюсними, які у трифазному режимі мають номінальну потужність від 1,5 до 70 Вт, а в однофазному - від 1 до 55 Вт і працюють від мережі змінної напруги промислової частоти з ККД 0,09-0,65.

Колекторний двигун змінного струму

Крім асинхронних безколекторних двигунів, на практиці застосовуються асинхронні колекторні двигуни змінного струму, наприклад для привода побутових електричних приладів (пилососів, вентиляторів, швейних машин тощо).

Якщо в обмотці двигуна постійного струму одночасно змінити напрямки струмів збудження основного магнітного поля нерухомої частини та магнітного поля якоря, то напрямок обертового моменту не зміниться. Одночасна зміна напрямків струмів збудження основного магнітного поля нерухомої частини та магнітного поля якоря легко відтворюється у двигуні постійного струму з послідовним збудженням. Таким чином машина постійного струму з послідовним збудженням може працювати на змінному струмі, тобто бути електричним колекторним двигуном змінного струму.

Конструктивно колекторні двигуни змінного струму є аналогічними двигунам постійного струму з послідовним збудженням. Враховуючи, що у статорі двигуна змінного струму виникає змінний магнітний потік, статор виготовляють з тонких пластин електротехнічної сталі, тоді як осердя нерухомої частини машини постійного струму виготовляють із прокатної сталі.

Колекторні двигуни змінного струму розвивають високий пусковий та обертовий моменти, мають високу швидкість обертів валу (до 20 000 об/хв).

Недоліками колекторних двигунів змінного струму є складність виготовлення, наявність колектора, низька надійність у роботі.

Трифазні асинхронні двигуни

Трифазний асинхронний двигун складається з нерухомого статора 7 і рухомого ротора 2. Три обмотки 3 розміщені в пазах на внутрішній стороні сердечника статора. Обмотка ротора асинхронного двигуна не має електричного з'єднання з мережею і з обмоткою статора. Початок і кінці фаз обмоток статора приєднують до затискачів у клемній коробці за схемами «зірка» або «трикутник». Асинхронні двигуни в основному різняться конструкцією обмот-

ки ротора. Залежно від цієї конструкції ротори поділяються на короткозам-кнені та фазні. На рис. 7.4 зображено асинхронний двигун з короткозамкне-ним ротором.

Рис. 7.4. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотки

Обмотка короткозамкненого ротора асинхронного двигуна виконується на циліндрі з мідних стрижнів і називається «білячою кліткою», загальний вигляд якої зображено на рис. 7.5.

Торцеві кінці стрижнів замикають металевими кільцями. Пакет ротора набирають з електротехнічної сталі. У двигунах меншої потужності стрижні заливають алюмінієм.

Асинхронний двигун із фазним ротором зображено на рис. 7.6.

Фазний ротор і статор мають трифазну обмотку. Фази обмотки з'єднують «зіркою» або «трикутником» і її вільні кінці виводять на ізольовані контактні кільця 4. На рис. 7.7 зображено загальний вигляд фазного ротора.

Обмотка статора (фази) асинхронного двигуна у вигляді трьох котушок покладена в пази, що розташовані під кутом у 120°. Початки і кінці фаз позначаються відповідно буквами А, В, С і X, Y, Z. При подачі на фази трифазної напруги в них будуть проходити струми la, ІЬ, Іс, які всередині машини створять власне обертове магнітне поле. Якщо обертове магнітне поле перетинає короткозамкнену обмотку, то в ній виникає ЕРС і проходить струм. Струм ротора створює навколо нього магнітне поле. Взаємодія магнітного поля ротора з обертовим магнітним полем статора призводить до утворення великої кількості пар електромагнітних сил, які прагнуть повернути ротор у напрямку руху електромагнітного поля статора. Ротор, починаючи обертання, набуває певної швидкості, магнітне поле і ротор обертаються з різними швидкостями, тобто асинхронно. Швидкість обертання ротора завжди менша від швидкості обертання магнітного поля статора.

Рис. 7.6. Асинхронний двигун із фазним ротором:

1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотки; 4 - контактні кільця

Рис. 7.7. Загальний вигляд фазного ротора

 

 

Це матеріал з підручника "Електротехніка та основи електроніки" Гуржій 2020