ТЕМА 7.4 - ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ ЗМІННОГО СТРУМУ. АДКР, АДФР.

	Урок №63. Електричні машини змінного струму. АДКР, АДФР.
Загальні відомості про електричні машини змінного струму (асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором АДКР, асинхронні двигуни з фазним ротором АДФР). Типи, конструкції і класифікація електричних машин змінного струму, їх будова та  режими роботи.Залежність конструктивного виконання електричних машин від умов навколишнього середовища. Правила включення і відключення  електродвигуна. Обмотки електричних машин. Види і схеми обмоток. Струмознімні і вивідні пристрої, маркування виводів електричних машин. Особливості пуску машин.
	Принцип дії та будова асинхронного двигуна.

Найпоширенішим з електричних двигунів є трифазний асинхрон­ний двигун, вперше сконструйований відомим російським електри­ком М. О. Доліво-Добровольським. Асинхронний двигун відзначається простотою конструкції та нескладністю обслуговування. Як і будь-яка машина змінного струму, асинхронний двигун складається з двох основних частин — статора і ротора. Статором називається нерухома частина машини, р о тором — її обертова частина. Властивістю асинхронної машини є її оборотність, тобто вона може бути використана в режимі генерато­ра і в режимі двигуна. Через ряд суттєвих недоліків асинхронні гене­ратори майже не застосовуються, в той час як асинхронні двигуни набули великого поширення.

Багатофазна система змінного струму утворює обертове магнітне поле.  Якщо частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля, то така частота називається синхронною. Якщо ж частота обертання ротора не дорівнює частоті обертання магнітного поля, то така частота називається  асинхронною.

У асинхронному двигуні робочий процес протікатиме тільки за асинхронної частоти, тобто коли частота обертання ротора не дорів­нює частоті обертання магнітного поля. Частота обертання ротора може мало чим відрізнятися від частоти обертання поля, але під час робо­ти двигуна вона завжди буде менша (n2 < n1).

Робота асинхронного двигуна ґрунтується на явищі, що назива­ється «диск Араго — Ленца». Це явище полягає ось у чому: якщо перед полюсами постійного магніту помістити мідний диск 1, який вільно сидить на осі 2, й обертати магніт навколо його осі за до­помогою рукоятки 3, то мідний диск обертатиметься у тому ж напрямку. Це пояснюється тим, що підчас обертання магніту його магнітне поле пронизує диск і індукує в ньому вихрові струми. В свою чергу вихрові струми створять свої магнітні поля. Внаслідок взаємо­дії магнітних полів вихрових струмів з магнітним полем магніту виникає сила, яка приводить диск в обертання. На основі закону Ленца напрямок будь-якого індукованого струму такий, що він протидіє причині, яка його викликала. Тому вихрові струми в тілі диска прагнуть затрима­ти обертання магніту, але не маючи можливості зробити це, приводять диск в обертання так, що він обертається слідом за магнітом. При цьо­му частота обертання диска завжди менша, ніж частота обертання маг­ніту. Якби ці частоти з якоїсь причини стали однаковими, то магнітне поле не переміщувалось би відносно диска, а отже, в ньому не виникали б вихрові струми, тобто не було б сили, під впливом якої диск оберта­ється.

У асинхронних двигунів постійне магнітне поле замінене оберто­вим магнітним полем, яке утворює трифазна система, ввімкнена в ме­режу змінного струму. Обертове магнітне поле статора перетинає про­відники обмотки ротора й індукує в них ЕРС. Якщо обмотка ротора замкнена на якийсь опір або накоротко, то по ній під дією індукованої ЕРС протікає струм. Внаслідок взаємодії струму в обмотці ротора з обертовим магнітним полем обмотки статора утворюється оберта­ючий момент, під дією якого ротор починає обертатися за напрямком обертання магнітного поля.

Отже, для зміни напрямку обертання ротора, тобто для реверсу­вання двигуна, потрібно змінити напрямок обертання магнітного поля, утвореного статорною обмоткою. Це досягається зміною чергування фаз статорних обмоток, для чого слід поміняти місцями відносно затискачів мережі будь-які два із трьох проводів, які з'єднують об­мотку статора з мережею. Реверсивні двигуни обладнуються переми­качами, за допомогою яких можна змінювати чергування фаз статор­них обмоток, а отже, і напрямок обертання ротора.

Якщо припустити, що в певний момент часу частота обертання ротора дорівнює частоті обертання статорного поля, то провідники роторної обмотки не перетинатимуть магнітного поля статора і стру­му в роторі не буде. У цьому разі обертаючий момент дорівнюватиме нулеві і частота обертання ротора зменшиться порівняно з частотою обертання статорного поля, доки не виникне обертаючий момент, що врівноважує гальмівний момент, який складається з моменту навантаження на валу і моменту сил тертя в машині.

Осердя статора 3 набирають зі сталевих пластин завтов­шки 0,35 або 0,5 мм. Пластини штампують із западинами (пазами) ізолюють лаком або окалиною для зменшення втрат на вихрові стру­ми, складають в окремі пакети і закріплюють у станині двигуна 1. До станини прикріплюють також бічні щити з розміщеними на них під­шипниками, на які спирається роторний вал. Станину встановлюють на фундаменті. У поздовжні пази статора вкладають провідники його обмотки 2, які відповідно з'єднують між собою так, що утворюється трифазна система. На щитку машини 4 знаходяться 6 затискачів, до яких приєднуються початки й кінці обмоток кожної фази. Для при­єднання статорних обмоток до трифазної мережі їх можна. з'єднати зіркою або трикутником, що дає змогу вмикати двигун у мережу з дво­ма різними лінійними напругами. Наприклад, двигун може працюва­ти від мережі з напругою 380 та 220 В. На щитку машини зазначено обидві напруги мережі, на які розрахований двигун, тобто 220/127 В або 380/220 В. Приєднання затискачів на щитку двигуна при з'єднанні статор­них обмоток трикутником (а) та зір­кою (б).

Для нижчих напруг, що зазначені на щитку, статорна обмотка з'єднується трикутником, для вищих — зіркою.

Щоб з'єднати статорні обмотки трикутником, на щитку машини верхні затискачі приєднують перемичками до нижніх, а кожну пару з'єднаних затискачів приєднують до лінійних проводів трифазної мережі. Для вмикання зіркою три нижні затискачі на щит­ку з'єднують перемичками у спільну точку, а верхні приєднують до лінійних проводів трифазної мережі.

Приєднання затискачів на щитку двигуна при з'єднанні статор­них обмоток трикутником (а) та зір­кою (б).
Схеми з’єднання статорних обмоток двигуна: а - трикутником, б - зіркою

Позначаються виводи обмоток статора асинхронних двигунів таким чином:

С1, С2, С3 - початки обмоток, С4, С5, С6 - кінці обмоток. Але зараз все частіше застосовується нове маркування виводів по ГОСТу 26772-85. U1, V1, W1 - початки обмоток, U2, V2, W2 - кінці обмоток.

При наявності четвертого вивода від нульової точки, при з’єднанні фаз зіркою, він позначається 0.

У однофазних асинхронних двигунів виводи статорних обмоток позначають наступним чином: С1 - початок головної обмотки, С2 - її кінець; В1 - початок допоміжної обмотки, В2 - її кінець.

Залежно від типу роторної обмотки асинхронні машини мо­жуть бути з фазним та короткозамкненим роторами.

Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.

Осердя ротора 1 набирають зі сталевих пластин завтовшки 0,5 мм, ізольованих лаком або окалиною для зменшення втрат на вихрові струми. Пластини штампують із западинами і скла­дають у пакети, які закріплюють на валу машини. З пакетів утворю­ється циліндр із поздовжніми пазами, в які укладають провідники ро­торної обмотки 2. Залежно від типу обмотки асинхронні машини мо­жуть бути з фазним та короткозамкненим роторами. Короткозамкнену обмотку виконують за типом білячого колеса.В па­зах ротора укладають масивні стержні, з'єднані на торцевих боках мідними кільцями 3. Часто короткозамкнену обмотку ротора виготовляють з алюмінію. Алюміній у гарячому стані залива­ють у пази ротора під тиском. Така обмотка завжди замкнена накоротко, і ввімкнення в неї опору неможливе.

Двигуни з короткозамкненим ротором простіші і надійніші в експлуатації та значно дешевші, ніж двигуни з фазним ротором. Проте двигуни з фазним ротором, як побачимо нижче, мають кращі пускові та  регулювальні  характеристики.

Зараз асинхронні двигуни виготовляють переважно з короткозам­кненим ротором і тільки при великих потужностях та в спеціальних випадках використовують фазну обмотку ротора.

Поряд з важливими позитивними якостями - простотою конструк­ції й обслуговування та малою вартістю - асинхронний двигун має й деякі недоліки, з яких найсуттєвішим є відносно низький коефіці­єнт потужності (cos φ).

Асинхронний двигун з фазним ротором.

У асинхронних електродвигунах більшої потужності і спеціальних машинах малої потужності для поліпшення пускових і регулювальних властивостей застосовуються фазні ротори . У цих випадках на роторі укладається трифазна обмотка з геометричними осями фазних котушок 1, зміщеними в просторі один відносно одного на 120 градусів. Фази обмотки 1 з'єднуються зіркою і кінці їх приєднуються до трьох контактних кілець 3, насаджених на вал 2 і електрично ізольованих як від валу, так і один від одного. За допомогою щіток 4, що знаходяться в ковзаючому контакті з кільцями 3, є можливість включати в ланцюги фазних обмоток регулювальні реостати 5, за допомогою яких можна регулювати струмом в роторі, а відповідно і швидкістю обертання. Асинхронний двигун з фазним ротором має кращі пускові і регулювальні властивості, проте йому властиві великі маса, розміри і вартість, ніж асинхронному двигуну з короткозамкненим ротором.

Підключення фазного ротора асинхронного двигуна: 1 - фази обмотки; 2 - вал; 3 - контактні кільця; 4 - щітки; 5 - регулювальні реостати

Принцип роботи асинхронної машини заснований на використанні магнітного поля, що обертається. При підключенні до мережі трифазної обмотки статора створюється магнітне поле, що обертається, кутова швидкість якого визначається частотою мережі f і числом пар полюсів обмотки p, тобто ω1=2рf/p

Пересікаючи провідники обмотки статора і ротора, це поле індукує в обмотках ЕРС (згідно закону електромагнітної індукції). При замкнутій обмотці ротора її ЕРС наводить в ланцюзі ротора струм. В результаті взаємодії струму з результуючим магнітним полем створюється електромагнітний момент. Якщо цей момент перевищує момент опору на валу двигуна, вал починає обертатися і приводити в рух робочий механізм. Зазвичай кутова швидкість ротора ω2 не дорівнює кутовій швидкості магнітного поля ω1, званою синхронною. Звідси і назва двигуна асинхронний, тобто несинхронний.

Робота асинхронної машини характеризується ковзанням s, яке є відносною різницею кутових швидкостей поля ω1 і ротора ω2: s=(ω1-ω2) /ω1. Значення і знак ковзання, залежні від кутової швидкості ротора відносно магнітного поля, визначають режим роботи асинхронної машини. Так, в режимі ідеального холостого ходу ротор і магнітне поле обертаються з однаковою частотою в одному напрямі, ковзання s=0, ротор нерухомий відносно магнітного поля, що обертається, ЕРС в його обмотці не індукується, струм ротора і електромагнітний момент машини дорівнюють нулю. При пуску ротор в перший момент часу нерухомий: ω2=0, s=1. У загальному випадку ковзання в руховому режимі змінюється від s=1 при пуску до s=0 в режимі ідеального холостого ходу.

Асинхронний двигун з фазним ротором: 1 - станина; 2 - обмотка статора; 3 - ротор; 4 - контактні кільця; 5 - щітковий механізм

При обертанні ротора із швидкістю ω2>ω1 у напрямі обертання магнітного поля ковзання стає негативним. Машина переходить в генераторний режим і розвиває гальмівний момент. При обертанні ротора в напрямі, протилежному до напряму обертання магнітного поли (s>1), асинхронна машина переходить в режим противключення і також розвиває гальмівний момент. Таким чином, залежно від ковзання розрізняють руховий (s=1÷0), генераторний (s=0÷-∞) режими і режим противключення (s=1÷+∞). Режими генераторний і противключення використовують для гальмування асинхронних двигунів.

Виводи обмоток ротора позначають буквою Р: Р1 - початок першої, Р2 - початок другої, Р3 - початок третьої фази. При чотирьох контактних кільцях нульова точка позначається 0. Контактні кільця позначаються так як і виводи приєднаних до них фаз: Р1 - найбільш віддалене від обмотки кільце, за ним Р2 і т.д. Самі кільця звичайно не маркуються.

Пуск асинхронних двигунів.

Під час ввімкнення асинхронного двигуна в мережу змінного струму по обмотках його статора й ротора протікатимуть струми, сила яких у кілька разів більша від номінальної. Це пояснюється тим що обертове магнітне поле перетинає обмотку нерухомого ротора з ви­сокою частотою, яка дорівнює частоті обертання магнітного поля у просторі, й індукує в цій обмотці велику ЕРС. Ця ЕРС утворює в колі ротора струм великої сили, що обумовлює виникнення струму відповідної сили і в обмотці статора.

Зі збільшенням частоти обертання ротора ковзання зменшується, що призводить до зниження ЕРС і сили струму в роторній обмотці. Це в свою чергу обумовлює зменшення сили струму в обмотці статора.

Велика сила пускового струму небажана як для двигуна, так і для джерела, від якого двигун одержує енергію. Коли пуски здійснюють­ся часто, то велика сила пускового струму призводить до різкого під­вищення температури обмоток двигуна, а це може обумовити перед­часне старіння його ізоляції. У мережі при великій силі струму зни­жується напруга, що впливає на роботу інших приймачів енергії, ввімкнених у цю ж мережу. Тому прямий пуск двигуна безпосереднім ввімкненням його в мережу допускається лише в тому разі, коли по­тужність двигуна набагато менша від потужності джерела енергії, яке живить мережу. Якщо потужність двигуна порівнянна з потужністю джерела енергії, то треба зменшити силу струму, споживаного цим двигуном під час пуску.

Пуск асинхронного двигуна з фазним ротором за допомогою пускового реостата: 1 - контактні кільця фазного ротора; 2 - обмотка статора; 3 - резистор.

Якщо такий опір ввімкнути в коло роторної обмотки, то сила струму в ній знизиться, а отже, знизяться сила струму в статорній обмотці і сила струму, споживаного двигуном із мережі. При цьому збільшуються активна складова роторного струму і обертаючий момент, що розвивається двигуном під час пуску.

У пускових реостатів є кілька контактів, тому можна поступово зменшувати опір, введений в коло роторної обмотки. Після досягнен­ня ротором нормальної частоти обертання реостат повністю виводить­ся, тобто роторну обмотку замикають накоротко. За нормальної час­тоти обертання ротора ковзання мале і ЕРС, що індукується в його обмотці, також незначна. Тому в колі ротора не потрібен жодний до­датковий опір.

Пускові реостати працюють нетривалий час у процесі розгону двигуна і розраховуються на короткочасну дію. Якщо реостат буде ввімкненим тривалий час, то він вийде з ладу.

Пуск двигуна з короткозамкненим ротором при малій потужності його порівняно з потужністю джерела енергії здійснюють безпосеред­нім увімкненням у мережу. У разі великої потужності двигуна силу пускового струму зменшують, знижуючи прикладену напругу. Щоб знизити напругу на час пуску, двигун вмикають у мережу через знижувальний автотрансформатор або реактори. Якщо ротор обер­тається з нормальною частотою, двигун перемикають на повну напругу мережі.

Недоліком такого способу пуску двигуна є різке зменшення пуско­вого моменту. Для зниження сили пускового струму в n разів треба прикладену напругу також знизити в n разів. При цьому пусковий момент, прямо пропорційний квадратові напруги, зменшиться в n2 разів. Отже, зниження напруги допускається під час пуску двигуна без навантаження або з малим навантаженням, коли пусковий моментможе бути невеликим. Часто застосовують пуск двигу­нів способом перемикання статор­ної обмотки з зірки на трикутник. В момент пуску статорну обмотку з’єднують зіркою, а після того як двигун розів’є частоту, на­ближену до нормальної, її перемикають трикутником. За такого спо­собу пуску двигуна сила пускового струму в мережі знижується в три рази порівняно з силою пускового струму, який споживався б двигу­ном, коли б статорна обмотка під час пуску була з’єднана трикутни­ком. Цей спосіб пуску можна засто­совувати для двигуна, статорна об­мотка якого, живлячись від мережі з певною напругою, має бути з’єднана трикутником.

Схема пуску короткозамкненого асинхронного двигуна перемиканням обмотки статора з зірки на трикутник