Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας των ασύγχρονων ηλεκτροκινητήρων

Ηλεκτρικά αυτοκίνηταΗ μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας από εναλλασσόμενο ρεύμα σε μηχανική ενέργεια ονομάζονται ηλεκτρικοί κινητήρες AC.

Στη βιομηχανία, οι ασύγχρονοι τριφασικοί κινητήρες είναι οι πιο διαδεδομένοι. Ας δούμε τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας αυτών των κινητήρων.

Η αρχή λειτουργίας του κινητήρα επαγωγής βασίζεται στη χρήση ενός περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου.

Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα, θα εκτελέσουμε το ακόλουθο πείραμα.

Θα δυναμώσουμε μαγνήτης πετάλου στον άξονα ώστε να μπορεί να περιστραφεί από τη λαβή. Ανάμεσα στους πόλους του μαγνήτη τοποθετούμε έναν χάλκινο κύλινδρο κατά μήκος του άξονα, ο οποίος μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα.

Εικόνα 1. Το απλούστερο μοντέλο για τη λήψη περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου

Ας αρχίσουμε να περιστρέφουμε τον μαγνήτη της λαβής δεξιόστροφα. Το πεδίο του μαγνήτη θα αρχίσει επίσης να περιστρέφεται και, καθώς περιστρέφεται, θα διασχίσει τον χάλκινο κύλινδρο με τις γραμμές δύναμης του. Σε κύλινδρο σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, θα έχω δινορεύματαπου θα δημιουργήσουν το δικό τους μαγνητικό πεδίο — το πεδίο του κυλίνδρου. Αυτό το πεδίο θα αλληλεπιδράσει με το μαγνητικό πεδίο του μόνιμου μαγνήτη, αναγκάζοντας τον κύλινδρο να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση με τον μαγνήτη.

Διαπιστώθηκε ότι η ταχύτητα περιστροφής του κυλίνδρου είναι ελαφρώς μικρότερη από την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου.

Στην πραγματικότητα, αν ο κύλινδρος περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με το μαγνητικό πεδίο, τότε οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν τον διασχίζουν και επομένως δεν προκύπτουν δινορεύματα σε αυτόν, προκαλώντας την περιστροφή του κυλίνδρου.

Η ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου ονομάζεται συνήθως σύγχρονη, επειδή είναι ίση με την ταχύτητα περιστροφής του μαγνήτη, και η ταχύτητα περιστροφής του κυλίνδρου είναι ασύγχρονη (ασύγχρονη). Επομένως, ο ίδιος ο κινητήρας ονομάζεται επαγωγικός κινητήρας... Η ταχύτητα περιστροφής του κυλίνδρου (ρότορας) διαφέρει από σύγχρονη ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου με μικρή ολίσθηση.

Δηλώνει την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα μέσω n1 και την ταχύτητα περιστροφής του πεδίου μέσω n μπορούμε να υπολογίσουμε την ποσοστιαία ολίσθηση με τον τύπο:

s = (n — n1) / n.

Στο παραπάνω πείραμα αποκτήσαμε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και την περιστροφή του κυλίνδρου που προκαλείται από αυτό λόγω της περιστροφής ενός μόνιμου μαγνήτη, επομένως μια τέτοια συσκευή δεν είναι ακόμη ηλεκτροκινητήρας… Πρέπει να γίνει ηλεκτρική ενέργεια δημιουργήστε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και χρησιμοποιήστε το για να περιστρέψετε τον ρότορα. Αυτό το πρόβλημα έλυσε έξοχα στην εποχή του ο Μ. Ο. Ντόλιβο-Ντομπροβόλσκι. Πρότεινε τη χρήση τριφασικού ρεύματος για το σκοπό αυτό.

Η συσκευή ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα M. O. Dolivo-Dobrovolski

Εικόνα 2. Διάγραμμα ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα Dolivo-Dobrovolsky

Στους πόλους ενός σιδερένιου πυρήνα σε σχήμα δακτυλίου, που ονομάζεται στάτορας κινητήρα, τοποθετούνται τρεις περιελίξεις, τριφασικά δίκτυα ρεύματος 0 που βρίσκονται μεταξύ τους σε γωνία 120 °.

Μέσα στον πυρήνα, ένας μεταλλικός κύλινδρος, ο λεγόμενος ρότορας του ηλεκτροκινητήρα.

Εάν τα πηνία είναι διασυνδεδεμένα όπως φαίνεται στο σχήμα και συνδέονται σε ένα τριφασικό δίκτυο ρεύματος, τότε η συνολική μαγνητική ροή που δημιουργείται από τους τρεις πόλους θα αποδειχθεί ότι είναι περιστρεφόμενη.

Το σχήμα 3 δείχνει τη γραφική παράσταση των μεταβολών των ρευμάτων στις περιελίξεις του κινητήρα και τη διαδικασία εμφάνισης ενός περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου.

Ας δούμε αυτή τη διαδικασία με περισσότερες λεπτομέρειες.

Εικόνα 3. Λήψη περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου

Στη θέση «Α» του γραφήματος, το ρεύμα στην πρώτη φάση είναι μηδέν, στη δεύτερη φάση είναι αρνητικό και στην τρίτη είναι θετικό. Το ρεύμα ρέει μέσω των πηνίων του πόλου προς την κατεύθυνση που υποδεικνύεται από τα βέλη στο σχήμα.

Έχοντας καθορίσει, σύμφωνα με τον κανόνα του δεξιού χεριού, την κατεύθυνση της μαγνητικής ροής που δημιουργείται από το ρεύμα, θα διασφαλίσουμε ότι ο νότιος πόλος (S) θα δημιουργηθεί στο άκρο του εσωτερικού πόλου (που βλέπει προς τον ρότορα) της τρίτης περιέλιξης και ο βόρειος πόλος (C ) θα δημιουργηθεί στον πόλο του δεύτερου πηνίου. Η συνολική μαγνητική ροή θα κατευθυνθεί από τον πόλο του δεύτερου πηνίου μέσω του ρότορα στον πόλο του τρίτου πηνίου.

Στη θέση «Β» του γραφήματος, το ρεύμα στη δεύτερη φάση είναι μηδέν, στην πρώτη φάση είναι θετικό και στην τρίτη είναι αρνητικό. Το ρεύμα που διαρρέει τις περιελίξεις του πόλου δημιουργεί έναν νότιο πόλο (S) στο τέλος της πρώτης περιέλιξης και έναν βόρειο πόλο (C) στο τέλος της τρίτης περιέλιξης. Η συνολική μαγνητική ροή θα κατευθυνθεί τώρα από τον τρίτο πόλο μέσω του ρότορα στον πρώτο πόλο, δηλαδή οι πόλοι θα μετακινηθούν κατά 120 °.

Στη θέση «Β» του γραφήματος, το ρεύμα στην τρίτη φάση είναι μηδέν, στη δεύτερη φάση είναι θετικό και στην πρώτη φάση είναι αρνητικό.Τώρα το ρεύμα που διαρρέει το πρώτο και το δεύτερο πηνίο θα δημιουργήσει έναν βόρειο πόλο (C) στο άκρο του πόλου του πρώτου πηνίου και έναν νότιο πόλο (S) στο άκρο του πόλου του δεύτερου πηνίου, δηλ. , η πολικότητα του συνολικού μαγνητικού πεδίου θα μετατοπιστεί άλλες 120 °. Στη θέση «G» στο γράφημα, το μαγνητικό πεδίο θα μετακινηθεί άλλες 120 °.

Έτσι, η συνολική μαγνητική ροή θα αλλάξει την κατεύθυνσή της με μια αλλαγή στην κατεύθυνση του ρεύματος στις περιελίξεις του στάτη (πόλοι).

Σε αυτή την περίπτωση, για μια περίοδο αλλαγής του ρεύματος στα πηνία, η μαγνητική ροή θα κάνει μια πλήρη περιστροφή. Η περιστρεφόμενη μαγνητική ροή θα σύρει τον κύλινδρο μαζί του και έτσι θα έχουμε έναν ασύγχρονο ηλεκτροκινητήρα.

Θυμηθείτε ότι στο Σχήμα 3 οι περιελίξεις του στάτορα συνδέονται με αστέρι, αλλά σχηματίζεται ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο όταν συνδέονται με δέλτα.

Εάν αλλάξουμε τις περιελίξεις της δεύτερης και τρίτης φάσης, η μαγνητική ροή θα αντιστρέψει την φορά περιστροφής της.

Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί χωρίς αλλαγή των περιελίξεων του στάτη, αλλά κατευθύνοντας το ρεύμα της δεύτερης φάσης του δικτύου στην τρίτη φάση του στάτη και της τρίτης φάσης του δικτύου στη δεύτερη φάση του στάτορα.

Επομένως, μπορείτε να αλλάξετε την κατεύθυνση περιστροφής του μαγνητικού πεδίου αλλάζοντας δύο φάσεις.

Θεωρήσαμε μια συσκευή με επαγωγικό κινητήρα με τρεις περιελίξεις στάτορα... Σε αυτή την περίπτωση, το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι διπολικό και ο αριθμός των στροφών ανά δευτερόλεπτο είναι ίσος με τον αριθμό των περιόδων αλλαγής ρεύματος σε ένα δευτερόλεπτο.

Εάν τοποθετηθούν έξι πηνία στον στάτορα γύρω από την περιφέρεια, τότε ένα τετραπολικό περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο... Με εννέα πηνία, το πεδίο θα είναι εξαπολικό.

Σε συχνότητα τριφασικού ρεύματος ίση με 50 περιόδους ανά δευτερόλεπτο ή 3000 ανά λεπτό, ο αριθμός στροφών n του περιστρεφόμενου πεδίου ανά λεπτό θα είναι:

με διπολικό στάτορα n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

με τετραπολικό στάτορα n = (50 NS 60) / 2 = 1500 περιστροφές,

με εξαπολικό στάτορα n = (50 NS 60) / 3 = 1000 στροφές,

με τον αριθμό των ζευγών πόλων του στάτορα ίσο με p: n = (f NS 60) / p,

Έτσι, καθορίσαμε την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου και την εξάρτησή του από τον αριθμό των περιελίξεων του στάτορα του κινητήρα.

Όπως γνωρίζουμε, ο ρότορας του κινητήρα θα καθυστερήσει λίγο στην περιστροφή του.

Ωστόσο, η υστέρηση του ρότορα είναι πολύ μικρή. Για παράδειγμα, όταν ο κινητήρας είναι στο ρελαντί, η διαφορά στις στροφές είναι μόνο 3% και υπό φορτίο 5-7%. Επομένως, η ταχύτητα του επαγωγικού κινητήρα αλλάζει μέσα σε πολύ μικρά όρια όταν αλλάζει το φορτίο, κάτι που είναι ένα από τα πλεονεκτήματά του.

Σκεφτείτε τώρα τη συσκευή των ασύγχρονων ηλεκτροκινητήρων

Αποσυναρμολογημένος ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας: α) στάτορας. β) ρότορας σκίουρου-κλουβιού. γ) ρότορας στη φάση εκτέλεσης (1 — πλαίσιο, 2 — πυρήνας από σταμπωτά φύλλα χάλυβα, 3 — περιέλιξη, 4 — άξονας, 5 — ολισθαίνοντες δακτύλιοι)

Ο στάτορας ενός σύγχρονου ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα έχει μη εκφρασμένους πόλους, δηλαδή η εσωτερική επιφάνεια του στάτορα γίνεται εντελώς λεία.

Για να μειωθούν οι απώλειες δινορευμάτων, ο πυρήνας του στάτορα σχηματίζεται από λεπτά σφραγισμένα φύλλα χάλυβα. Ο συναρμολογημένος πυρήνας στάτορα είναι στερεωμένος σε χαλύβδινο περίβλημα.

Στις υποδοχές του στάτορα τοποθετείται ένα πηνίο από σύρμα χαλκού.Οι περιελίξεις φάσης του στάτορα του ηλεκτροκινητήρα συνδέονται με ένα «αστέρι» ή «τρίγωνο», για το οποίο όλες οι αρχές και τα άκρα των περιελίξεων φέρονται στο σώμα - σε ειδική μονωτική ασπίδα. Μια τέτοια συσκευή στάτορα είναι πολύ βολική, καθώς σας επιτρέπει να ενεργοποιήσετε τις περιελίξεις της σε διαφορετικές τυπικές τάσεις.

Ένας ρότορας κινητήρα επαγωγής, όπως ένας στάτορας, συναρμολογείται από σφραγισμένα χαλύβδινα φύλλα. Ένα πηνίο τοποθετείται στις αυλακώσεις του ρότορα.

Ανάλογα με το σχεδιασμό του ρότορα, οι ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες χωρίζονται σε κινητήρες ρότορα σκίουρου-κλωβού και κινητήρες ρότορα φάσης.

Η περιέλιξη του ρότορα του κλωβού σκίουρου είναι κατασκευασμένη από χάλκινες ράβδους που εισάγονται στις υποδοχές του ρότορα. Τα άκρα των ράβδων συνδέονται με χάλκινο δακτύλιο. Αυτό ονομάζεται κύλιση κλουβιού σκίουρου. Σημειώστε ότι οι ράβδοι χαλκού στα κανάλια δεν είναι μονωμένες.

Σε ορισμένους κινητήρες, ο "κλωβός σκίουρου" αντικαθίσταται από χυτό ρότορα.

Ασύγχρονος κινητήρας ρότορα (με δακτυλίους ολίσθησης) χρησιμοποιείται γενικά σε ηλεκτροκινητήρες υψηλής ισχύος και σε αυτές τις περιπτώσεις? όταν είναι απαραίτητο ο ηλεκτροκινητήρας να δημιουργήσει μεγάλη δύναμη κατά την εκκίνηση. Αυτό επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι συνδέονται οι περιελίξεις του κινητήρα φάσης ρεοστάτη εκκίνησης.

Οι επαγωγικοί κινητήρες Squirrel cage τίθενται σε λειτουργία με δύο τρόπους:

1) Απευθείας σύνδεση της τριφασικής τάσης δικτύου στον στάτορα του κινητήρα. Αυτή η μέθοδος είναι η απλούστερη και πιο δημοφιλής.

2) Μείωση της τάσης που εφαρμόζεται στις περιελίξεις του στάτη. Η τάση μειώνεται, για παράδειγμα, με εναλλαγή των περιελίξεων του στάτη από αστέρι σε τρίγωνο.

Ο κινητήρας ξεκινά όταν οι περιελίξεις του στάτορα είναι συνδεδεμένες σε "αστέρι" και όταν ο ρότορας φτάσει στην κανονική ταχύτητα, οι περιελίξεις του στάτη αλλάζουν σε σύνδεση "τρίγωνο".

Το ρεύμα στα καλώδια τροφοδοσίας σε αυτή τη μέθοδο εκκίνησης του κινητήρα μειώνεται κατά 3 φορές σε σύγκριση με το ρεύμα που θα προέκυπτε κατά την εκκίνηση του κινητήρα με απευθείας σύνδεση στο δίκτυο με περιελίξεις στάτορα συνδεδεμένα με «τρίγωνο».Ωστόσο, αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη μόνο εάν ο στάτορας έχει σχεδιαστεί για κανονική λειτουργία όταν οι περιελίξεις του είναι συνδεδεμένες στο δέλτα.

Ο απλούστερος, φθηνότερος και πιο αξιόπιστος είναι ένας ασύγχρονος κινητήρας με κλουβί, αλλά αυτός ο κινητήρας έχει ορισμένα μειονεκτήματα - χαμηλή προσπάθεια εκκίνησης και υψηλό ρεύμα εκκίνησης. Αυτά τα μειονεκτήματα εξαλείφονται σε μεγάλο βαθμό με τη χρήση ενός ρότορα φάσης, αλλά η χρήση ενός τέτοιου ρότορα αυξάνει σημαντικά το κόστος του κινητήρα και απαιτεί εκκίνηση ρεοστάτη.

Τύποι ασύγχρονων κινητήρων

Ο κύριος τύπος ασύγχρονης μηχανής είναι ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας... Διαθέτει τρεις περιελίξεις στάτορα που βρίσκονται σε απόσταση 120 ° μεταξύ τους. Τα πηνία συνδέονται με αστέρι ή δέλτα και τροφοδοτούνται από τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα.

Οι κινητήρες χαμηλής ισχύος στις περισσότερες περιπτώσεις υλοποιούνται ως διφασικοί... Σε αντίθεση με τους τριφασικούς κινητήρες, έχουν δύο περιελίξεις στάτη, τα ρεύματα στα οποία πρέπει να μετατοπίζονται υπό γωνία για να δημιουργηθεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο π/2.

Εάν τα ρεύματα στις περιελίξεις είναι ίσα σε μέγεθος και μετατοπίζονται στη φάση κατά 90 °, τότε η λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα δεν θα διαφέρει με κανένα τρόπο από τη λειτουργία ενός τριφασικού. Ωστόσο, τέτοιοι κινητήρες με δύο περιελίξεις στάτορα στις περισσότερες περιπτώσεις τροφοδοτούνται από μονοφασικό δίκτυο και δημιουργείται τεχνητά μετατόπιση που πλησιάζει τις 90 °, συνήθως λόγω πυκνωτών.

Μονοφασικός κινητήρας μόνο ένα τύλιγμα του στάτη είναι πρακτικά ανενεργό.Όταν ο ρότορας είναι ακίνητος, δημιουργείται μόνο ένα παλλόμενο μαγνητικό πεδίο στον κινητήρα και η ροπή είναι μηδενική. Είναι αλήθεια ότι αν ο ρότορας μιας τέτοιας μηχανής περιστρέφεται σε μια ορισμένη ταχύτητα, τότε μπορεί να εκτελέσει τις λειτουργίες ενός κινητήρα.

Σε αυτήν την περίπτωση, αν και θα υπάρχει μόνο ένα παλλόμενο πεδίο, αποτελείται από δύο συμμετρικά - προς τα εμπρός και προς τα πίσω, που δημιουργούν άνισες ροπές - έναν μεγαλύτερο κινητήρα και λιγότερο φρενάρισμα, που προκύπτουν λόγω των ρευμάτων του ρότορα αυξημένης συχνότητας (ολίσθηση έναντι της αντίστροφης σύγχρονης το πεδίο είναι μεγαλύτερο από 1).

Σε σχέση με τα παραπάνω, οι μονοφασικοί κινητήρες τροφοδοτούνται με δεύτερη περιέλιξη που χρησιμοποιείται ως τύλιγμα εκκίνησης. Στο κύκλωμα αυτού του πηνίου περιλαμβάνονται πυκνωτές για τη δημιουργία μιας μετατόπισης φάσης του ρεύματος, η χωρητικότητα του οποίου μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη (δεκάδες microfarads με ισχύ κινητήρα μικρότερη από 1 kW).

Τα συστήματα ελέγχου χρησιμοποιούν διφασικούς κινητήρες, που μερικές φορές ονομάζονται εκτελεστικοί... Έχουν δύο περιελίξεις στάτορα μετατοπισμένες στο χώρο κατά 90 °. Μία από τις περιελίξεις, που ονομάζεται περιέλιξη πεδίου, συνδέεται απευθείας με ένα δίκτυο 50 ή 400 Hz. Το δεύτερο χρησιμοποιείται ως πηνίο ελέγχου.

Για να δημιουργηθεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και η αντίστοιχη ροπή, το ρεύμα στο πηνίο ελέγχου πρέπει να μετατοπιστεί κατά γωνία κοντά στις 90 °. Η ρύθμιση της ταχύτητας του κινητήρα, όπως θα φαίνεται παρακάτω, γίνεται αλλάζοντας την τιμή ή τη φάση του ρεύματος σε αυτό το πηνίο. Το αντίθετο παρέχεται αλλάζοντας τη φάση του ρεύματος στο πηνίο ελέγχου κατά 180 ° (εναλλαγή του πηνίου).

Οι διφασικοί κινητήρες παράγονται σε διάφορες εκδόσεις:

• με ρότορα κλουβιού σκίουρου,

• με κοίλο μη μαγνητικό ρότορα,

• με κοίλο μαγνητικό ρότορα.

Γραμμικοί κινητήρες

Η μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του κινητήρα σε μεταφορική κίνηση των οργάνων της μηχανής εργασίας συνδέεται πάντα με την ανάγκη χρήσης οποιωνδήποτε μηχανικών μονάδων: σχάρες μετάδοσης κίνησης, βίδες κ.λπ.μόνο υπό όρους — ως κινούμενο όργανο).

Σε αυτή την περίπτωση, ο κινητήρας λέγεται ότι ενεργοποιείται. Η περιέλιξη του στάτορα ενός γραμμικού κινητήρα πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο όπως για έναν ογκομετρικό κινητήρα, αλλά πρέπει να τοποθετείται μόνο στις αυλακώσεις σε όλο το μήκος της μέγιστης δυνατής κίνησης του συρόμενου ρότορα. Ο δρομέας ολίσθησης είναι συνήθως βραχυκυκλωμένος, το σώμα εργασίας του μηχανισμού αρθρώνεται μαζί του. Στα άκρα του στάτορα πρέπει φυσικά να υπάρχουν στάσεις για να αποτρέπεται η έξοδος του ρότορα από τα όρια εργασίας της διαδρομής.