Urządzenie i zasada działania asynchronicznych silników elektrycznych

Samochody elektrycznekonwersji energii elektrycznej z prądu przemiennego na energię mechaniczną nazywane są silnikami elektrycznymi prądu przemiennego.

W przemyśle najbardziej rozpowszechnione są asynchroniczne silniki trójfazowe. Przyjrzyjmy się urządzeniu i zasadzie działania tych silników.

Zasada działania silnika indukcyjnego opiera się na wykorzystaniu wirującego pola magnetycznego.

Aby zrozumieć działanie takiego silnika, przeprowadzimy następujący eksperyment.

Będziemy wzmacniać magnes w kształcie podkowy na osi, aby można było ją obracać za pomocą uchwytu. Pomiędzy biegunami magnesu umieszczamy wzdłuż osi miedziany walec, który może się swobodnie obracać.

Rysunek 1. Najprostszy model uzyskiwania wirującego pola magnetycznego

Zacznijmy obracać magnes uchwytu zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Pole magnesu również zacznie się obracać i gdy się obraca, przecina miedziany cylinder swoimi liniami sił. W cylindrze zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, będzie miał prądy wirowekto stworzy własne pole magnetyczne — pole cylindra. To pole będzie oddziaływać z polem magnetycznym magnesu stałego, powodując obrót cylindra w tym samym kierunku co magnes.

Stwierdzono, że prędkość obrotu cylindra jest nieco mniejsza niż prędkość obrotu pola magnetycznego.

W rzeczywistości, jeśli cylinder obraca się z taką samą prędkością jak pole magnetyczne, to linie pola magnetycznego go nie przecinają, a zatem nie powstają w nim prądy wirowe, które powodują obrót cylindra.

Prędkość obrotowa pola magnetycznego jest zwykle nazywana synchroniczną, ponieważ jest równa prędkości obrotowej magnesu, a prędkość obrotowa cylindra jest asynchroniczna (asynchroniczna). Dlatego nazywa się sam silnik silnik indukcyjny... Różni się prędkość obrotowa cylindra (wirnika). synchroniczna prędkość wirowania pola magnetycznego z niewielkim poślizgiem.

Oznaczając prędkość obrotową wirnika przez n1 i prędkość obrotową pola przez n możemy obliczyć poślizg procentowy ze wzoru:

s = (n — n1) / n.

W powyższym eksperymencie otrzymaliśmy wirujące pole magnetyczne i wywołany nim obrót cylindra w wyniku obrotu magnesu trwałego, zatem takie urządzenie nie jest jeszcze silnikiem elektrycznym… Należy to zrobić Elektryczność wytworzyć wirujące pole magnetyczne i użyć go do obracania wirnika. Problem ten znakomicie rozwiązał swego czasu M. O. Dolivo-Dobrovolski. Zaproponował wykorzystanie do tego celu prądu trójfazowego.

Urządzenie asynchronicznego silnika elektrycznego M. O. Dolivo-Dobrovolski

Rysunek 2. Schemat asynchronicznego silnika elektrycznego Dolivo-Dobrovolsky'ego

Na biegunach żelaznego rdzenia w kształcie pierścienia, zwanego stojanem silnika, umieszczone są trzy uzwojenia, trójfazowe sieci prądowe 0 umieszczone względem siebie pod kątem 120 °.

Wewnątrz rdzenia metalowy cylinder, tzw. wirnik silnika elektrycznego.

Jeśli cewki zostaną ze sobą połączone, jak pokazano na rysunku, i podłączone do sieci prądu trójfazowego, wówczas całkowity strumień magnetyczny wytwarzany przez trzy bieguny okaże się obracający.

Na rysunku 3 przedstawiono wykres zmian prądów w uzwojeniach silnika oraz proces powstawania wirującego pola magnetycznego.

Przyjrzyjmy się temu procesowi bardziej szczegółowo.

Rysunek 3. Uzyskanie wirującego pola magnetycznego

W pozycji „A” wykresu prąd w pierwszej fazie wynosi zero, w drugiej fazie jest ujemny, aw trzeciej dodatni. Prąd przepływa przez cewki biegunowe w kierunku wskazanym strzałkami na rysunku.

Ustaliwszy zgodnie z regułą prawej dłoni kierunek strumienia magnetycznego wytwarzanego przez prąd, zapewnimy, że biegun południowy (S) powstanie na wewnętrznym końcu bieguna (skierowanym do wirnika) trzeciego uzwojenia i biegun północny (C ) zostanie utworzony na biegunie drugiej cewki. Całkowity strumień magnetyczny będzie kierowany od bieguna drugiej cewki przez wirnik do bieguna trzeciej cewki.

W pozycji „B” wykresu prąd w drugiej fazie wynosi zero, w pierwszej fazie jest dodatni, aw trzeciej ujemny. Prąd płynący przez uzwojenia biegunów tworzy biegun południowy (S) na końcu pierwszego uzwojenia i biegun północny (C) na końcu trzeciego uzwojenia. Całkowity strumień magnetyczny zostanie teraz skierowany od trzeciego bieguna przez wirnik do pierwszego bieguna, to znaczy bieguny przesuną się o 120 °.

W pozycji „B” wykresu prąd w trzeciej fazie wynosi zero, w drugiej fazie jest dodatni, aw pierwszej fazie jest ujemny.Teraz prąd przepływający przez pierwszą i drugą cewkę utworzy biegun północny (C) na końcu bieguna pierwszej cewki i biegun południowy (S) na końcu bieguna drugiej cewki, tj. , biegunowość całkowitego pola magnetycznego przesunie się o kolejne 120°. W pozycji „G” na wykresie pole magnetyczne przesunie się o kolejne 120°.

Zatem całkowity strumień magnetyczny zmieni swój kierunek wraz ze zmianą kierunku prądu w uzwojeniach stojana (biegunach).

W takim przypadku przez jeden okres zmiany prądu w cewkach strumień magnetyczny wykona pełny obrót. Wirujący strumień magnetyczny pociągnie za sobą cylinder iw ten sposób otrzymamy asynchroniczny silnik elektryczny.

Przypomnij sobie, że na rysunku 3 uzwojenia stojana są połączone w gwiazdę, ale gdy są połączone w trójkąt, powstaje wirujące pole magnetyczne.

Jeśli zamienimy uzwojenia drugiej i trzeciej fazy, strumień magnetyczny zmieni kierunek wirowania.

Ten sam rezultat można osiągnąć bez zmiany uzwojeń stojana, ale kierując prąd drugiej fazy sieci do trzeciej fazy stojana, a trzeciej fazy sieci do drugiej fazy stojana.

Dlatego możesz zmienić kierunek wirowania pola magnetycznego, przełączając dwie fazy.

Rozważaliśmy urządzenie z silnikiem indukcyjnym trzy uzwojenia stojana... W tym przypadku wirujące pole magnetyczne jest dwubiegunowe, a liczba obrotów na sekundę jest równa liczbie okresów zmiany prądu w ciągu jednej sekundy.

Jeśli na obwodzie stojana zostanie umieszczonych sześć cewek, to czterobiegunowe wirujące pole magnetyczne... Przy dziewięciu cewkach pole będzie sześciobiegunowe.

Przy częstotliwości prądu trójfazowego równej 50 okresom na sekundę lub 3000 na minutę liczba obrotów n pola wirującego na minutę będzie wynosić:

z bipolarnym stojanem n = (50 NS 60) / 1 = 3000 obr./min,

z czterobiegunowym stojanem n = (50 NS 60) / 2 = 1500 obrotów,

z sześciobiegunowym stojanem n = (50 NS 60) / 3 = 1000 zwojów,

o liczbie par biegunów stojana równej p: n = (f NS 60) / p,

Ustaliliśmy więc prędkość wirowania pola magnetycznego i jej zależność od liczby zwojów stojana silnika.

Jak wiemy, wirnik silnika będzie nieco opóźniony w swoim obrocie.

Opóźnienie wirnika jest jednak bardzo małe. Na przykład, gdy silnik pracuje na biegu jałowym, różnica prędkości wynosi tylko 3%, a pod obciążeniem 5-7%. Dlatego prędkość silnika indukcyjnego zmienia się w bardzo małych granicach, gdy zmienia się obciążenie, co jest jedną z jego zalet.

Rozważ teraz urządzenie asynchronicznych silników elektrycznych

Zdemontowany asynchroniczny silnik elektryczny: a) stojan; b) wirnik klatkowy; c) wirnik w fazie wykonania (1 — rama; 2 — rdzeń z tłoczonej blachy stalowej; 3 — uzwojenie; 4 — wał; 5 — pierścienie ślizgowe)

Stojan nowoczesnego asynchronicznego silnika elektrycznego ma niewyraźne bieguny, to znaczy wewnętrzna powierzchnia stojana jest całkowicie gładka.

Aby zmniejszyć straty spowodowane prądami wirowymi, rdzeń stojana jest wykonany z cienkich, tłoczonych blach stalowych. Zmontowany rdzeń stojana jest zamocowany w stalowej obudowie.

Cewka z drutu miedzianego jest umieszczona w szczelinach stojana.Uzwojenia fazowe stojana silnika elektrycznego są połączone „gwiazdą” lub „trójkątem”, dla którego wszystkie początki i końce uzwojeń są doprowadzone do korpusu - do specjalnej osłony izolacyjnej. Takie urządzenie stojana jest bardzo wygodne, ponieważ pozwala włączyć jego uzwojenia do różnych standardowych napięć.

Wirnik silnika indukcyjnego, podobnie jak stojan, jest montowany z tłoczonych blach stalowych. Cewka jest ułożona w rowkach wirnika.

W zależności od konstrukcji wirnika, asynchroniczne silniki elektryczne dzielą się na wirniki klatkowe i silniki fazowe.

Uzwojenie wirnika klatkowego wykonane jest z miedzianych prętów włożonych w szczeliny wirnika. Końce prętów połączone są miedzianym pierścieniem. To się nazywa toczenie klatki wiewiórki. Należy pamiętać, że miedziane pręty w kanałach nie są izolowane.

W niektórych silnikach „klatkę wiewiórki” zastępuje odlewany wirnik.

Silnik asynchroniczny z wirnikiem (z pierścieniami ślizgowymi) jest zwykle stosowany w silnikach elektrycznych dużej mocy iw tych przypadkach; gdy konieczne jest, aby silnik elektryczny wytworzył dużą siłę podczas rozruchu. Osiąga się to dzięki temu, że uzwojenia silnika fazowego są połączone reostat rozruchowy.

Silniki indukcyjne klatkowe są uruchamiane na dwa sposoby:

1) Bezpośrednie podłączenie trójfazowego napięcia sieciowego do stojana silnika. Ta metoda jest najprostsza i najbardziej popularna.

2) Zmniejszenie napięcia przyłożonego do uzwojeń stojana. Napięcie jest zmniejszane na przykład przez przełączenie uzwojeń stojana z gwiazdy na trójkąt.

Silnik jest uruchamiany, gdy uzwojenia stojana są połączone w „gwiazdę”, a gdy wirnik osiągnie normalną prędkość, uzwojenia stojana są przełączane w połączenie „trójkąt”.

Prąd w przewodach zasilających przy tej metodzie rozruchu silnika jest 3-krotnie zmniejszony w porównaniu z prądem, który wystąpiłby przy rozruchu silnika przy bezpośrednim podłączeniu do sieci z uzwojeniami stojana połączonymi w „trójkąt”.Jednak ta metoda jest odpowiednia tylko wtedy, gdy stojan jest przeznaczony do normalnej pracy, gdy jego uzwojenia są połączone w trójkąt.

Najprostszym, najtańszym i najbardziej niezawodnym jest asynchroniczny silnik klatkowy, ale ten silnik ma pewne wady — mały wysiłek rozruchowy i wysoki prąd rozruchowy. Wady te są w dużej mierze eliminowane przez zastosowanie wirnika fazowego, jednak zastosowanie takiego wirnika znacznie zwiększa koszt silnika i wymaga rozruchu przez reostat.

Rodzaje silników asynchronicznych

Głównym typem maszyny asynchronicznej jest trójfazowy silnik asynchroniczny... Ma trzy uzwojenia stojana oddalone od siebie o 120 °. Cewki są połączone w gwiazdę lub trójkąt i zasilane trójfazowym prądem przemiennym.

Silniki małej mocy są w większości przypadków realizowane jako dwufazowe... W przeciwieństwie do silników trójfazowych mają dwa uzwojenia stojana, w których prądy muszą być przesunięte pod kątem, aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne π/2.

Jeśli prądy w uzwojeniach są równe co do wielkości i przesunięte w fazie o 90 °, wówczas działanie takiego silnika nie będzie się w żaden sposób różnić od działania trójfazowego. Jednak takie silniki z dwoma uzwojeniami stojana są w większości przypadków zasilane z sieci jednofazowej, a przemieszczenie zbliżające się do 90° powstaje sztucznie, zwykle za sprawą kondensatorów.

Silnik jednofazowy praktycznie nieaktywne jest tylko jedno uzwojenie stojana Gdy wirnik jest nieruchomy, w silniku powstaje tylko pulsujące pole magnetyczne, a moment obrotowy jest równy zeru. Prawdą jest, że jeśli wirnik takiej maszyny obraca się do określonej prędkości, może ona pełnić funkcje silnika.

W tym przypadku, chociaż będzie tylko pole pulsujące, składa się ono z dwóch symetrycznych – do przodu i do tyłu, które wytwarzają nierówne momenty obrotowe – większy silnik i mniejsze hamowanie, wynikające z prądów wirnika o zwiększonej częstotliwości (poślizg względem wstecznego synchronicznego pole jest większe niż 1).

W związku z powyższym silniki jednofazowe posiadają drugie uzwojenie, które pełni rolę uzwojenia rozruchowego. Kondensatory są zawarte w obwodzie tej cewki, aby wytworzyć przesunięcie fazowe prądu, którego pojemność może być dość duża (dziesiątki mikrofaradów przy mocy silnika mniejszej niż 1 kW).

Układy sterowania wykorzystują silniki dwufazowe, czasami nazywane wykonawczy... Mają dwa uzwojenia stojana przesunięte w przestrzeni o 90 °. Jedno z uzwojeń, zwane uzwojeniem polowym, jest bezpośrednio podłączone do sieci 50 lub 400 Hz. Drugi służy jako cewka sterująca.

Aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne i odpowiedni moment obrotowy, prąd w cewce sterującej musi zostać przesunięty o kąt bliski 90 °. Regulacja prędkości silnika, jak zostanie to pokazane poniżej, odbywa się poprzez zmianę wartości lub fazy prądu w tej cewce. Odwrotność zapewnia zmiana fazy prądu w cewce sterującej o 180 ° (przełączanie cewki).

Silniki dwufazowe produkowane są w kilku wersjach:

• z wirnikiem klatkowym,

• z wydrążonym niemagnetycznym wirnikiem,

• z wydrążonym wirnikiem magnetycznym.

Silniki liniowe

Przekształcenie ruchu obrotowego silnika w ruch postępowy pracujących organów maszyny zawsze wiąże się z koniecznością zastosowania jakichkolwiek zespołów mechanicznych: zębatek, śrub itp.tylko warunkowo — jako organ ruchomy).

W tym przypadku mówi się, że silnik jest wdrożony. Uzwojenie stojana silnika liniowego odbywa się w taki sam sposób, jak w przypadku silnika objętościowego, ale należy je układać tylko w rowkach na całej długości maksymalnego możliwego ruchu wirnika ślizgowego. Wirnik suwaka jest zwykle zwarty, korpus roboczy mechanizmu jest z nim połączony przegubowo. Na końcach stojana muszą oczywiście znajdować się ograniczniki, aby wirnik nie opuścił roboczych granic toru.