Реклама

Синхронний та асинхронний двигуни

Синхронний та асинхронний двигун

1. Асинхронний двигун
   — Будова асинхронного двигуна
   — Принцип дії асинхронного двигуна
   — Асинхронний двигун з фазним ротором
2. Синхронний двигун
   — Будова синхронного двигуна
   — Принцип дії синхронного двигуна
   — Синхронний реактивний двигун
   — Пуск в хід і регулювання частоти обертання синхронного двигуна

Останнім часом все більше автовиробників поповнюють свої модельні лінійки електромобілями. Електромобілі — це автомобілі, в яких у якості силової установки виступає електричний двигун. Такі двигуни за принципом роботи поділяються на два типи — синхронний двигун та асинхронний двигун. В сучасних електромобілях можуть використовуватися як двигуни постійного, так і змінного струму.

Асинхронний двигун

Асинхронний двигун — це асинхронна машина, призначена для перетворення електричної енергії змінного струму в механічну енергію. Саме слово «асинхронний» означає «не одночасний». При цьому мається на увазі, що у асинхронних двигунів частота обертання магнітного поля статора завжди більше частоти обертання ротора. Працюють асинхронні двигуни, як зрозуміло з визначення, від мережі змінного струму.

Будова асинхронного двигуна

Будова асинхронного двигуна

1 — вал;
2, 6 -підшипники;
3, 8 — підшипникові щити;
4 — лапи;
5 — кожух вентилятора;
7 — крильчатка вентилятора;
9 — короткозамкнутий ротор;
10 — статор;
11 — коробка виводів.

Основними частинами асинхронного двигуна є статор (10) і ротор (9).

Статор має циліндричну форму, і збирається з листів сталі. У пазах сердечника статора укладені обмотки статора, які виконані з обмотувального дроту. Осі обмоток зрушені в просторі один відносно одного на кут 120°. Залежно від напруги, що подається, кінці обмоток з’єднуються трикутником або зіркою.

Ротори асинхронного двигуна бувають двох видів: короткозамкнутий і фазний ротор.

Короткозамкнутий ротор є сердечником, набраним з листів сталі. У пази цього сердечника заливається розплавлений алюміній, внаслідок чого утворюються стержні, які замикаються накоротко торцевими кільцями. Ця конструкція називається «кліткою білки». У асинхронних двигунах великої потужності замість алюмінію може застосовуватися мідь. «Біляча клітина» є короткозамкнутою обмоткою ротора, звідки власне назва.

Принцип дії асинхронного двигуна

Короткозамкнутий ротор і «біляча клітка»

Фазний ротор має трифазну обмотку, яка практично не відрізняється від обмотки статора. У більшості випадків кінці обмоток фазного ротора з’єднуються в зірку, а вільні кінці підводяться до контактних кілець. За допомогою щіток, які підключені до кілець, в ланцюг обмотки ротора можна вводити додатковий резистор. Це треба для того, щоб можна було змінювати активний опір в ланцюзі ротора, тому що це сприяє зменшенню великих пускових струмів. Детальніше про фазний ротор можна прочитати в пункті — асинхронний двигун з фазним ротором.

Принцип дії асинхронного двигуна

При поданні до обмотки статора напруги, в кожній фазі створюється магнітний потік, який змінюється з частотою напруги, що подається. Ці магнітні потоки зрушені один відносно одного на 120°, як в часі, так і в просторі. Результуючий магнітний потік виявляється таким, що при цьому обертається.

Результуючий магнітний потік статора обертається і тим самим створює в провідниках ротора електрорушійну силу. Оскільки обмотка ротора, має замкнутий електричний ланцюг, в ній виникає струм, який у свою чергу взаємодіючи з магнітним потоком статора, створює пусковий момент двигуна, прагнучий повернути ротор у напрямі обертання магнітного поля статора. Коли він досягає значення, гальмівного моменту ротора, а потім перевищує його, ротор починає обертатися. При цьому виникає так зване ковзання.

Ковзання s — це величина, яка показує, наскільки синхронна частота n1 магнітного поля статора більша, ніж частота обертання ротора n2, в процентному співвідношенні.

Для асинхронних двигунів ковзання це украй важлива величина. У початковий момент часу вона дорівнює одиниці, але у міру зростання частоти обертання n2 ротора відносна різниця частот n1-n2 стає менше, внаслідок чого зменшуються електрорушійна сила і струм в провідниках ротора, що спричиняє за собою зменшення обертового моменту. У режимі холостого ходу, коли двигун працює без навантаження на вал, ковзання мінімальне, але зі збільшенням статичного моменту, воно зростає до величини sкр — критичного ковзання. Якщо двигун перевищить це значення, то може статися так зване перекидання двигуна, і привести надалі до його нестабільної роботи. Значення ковзання лежить в діапазоні від 0 до 1, для асинхронних двигунів загального призначення воно складає в номінальному режимі — 1-8%.

Як тільки настане рівновага між електромагнітним моментом, що викликає обертання ротора і гальмівним моментом створюваним навантаженням на вал двигуна процеси зміни величин припиняться.

Виходить, що принцип роботи асинхронного двигуна полягає у взаємодії магнітного поля статора і струмів, які наводяться цим магнітним полем в роторі, що обертається. Причому обертовий момент може виникнути тільки в тому випадку, якщо існує різниця частот обертання магнітних полів.

Асинхронний двигун з фазним ротором

Асинхронний двигун з фазним ротором — це двигун, який можна регулювати за допомогою додавання в ланцюг ротора додаткових опорів. Зазвичай такі двигуни застосовуються при пуску з навантаженням на валу, оскільки збільшення опору в ланцюзі ротора, дозволяє підвищити пусковий момент і зменшити пускові струми. Цим асинхронний двигун з фазним ротором вигідно відрізняється від ПЕКЛО з короткозамкнутим ротором.

Асинхронний двигун з фазним ротором

Статор (2) виконаний, так само як і в звичайному асинхронному двигуні, він представляє з себе порожнистий циліндр, набраний з листів електротехнічної сталі, в який укладена трифазна обмотка.

Ротор (3) в порівнянні з короткозамкнутим, представляє з себе складнішу конструкцію. Він складається з сердечника в який укладена трифазна обмотка, аналогічно обмотці статора. Звідси назва двигуна. Якщо двигун двополюсний, то обмотки ротора зміщені геометрично один відносно одної на 120. Ці обмотки з’єднуються з трьома контактними кільцями (4), розташованими на валу ротора. Контактні кільця виконані з латуні або сталі, причому одине від одного вони ізольовані. За допомогою декількох метал-графітових щіток (зазвичай двох), які розташовані на щіткотримачі (5) і притискаються пружинами до кілець, в ланцюг вводяться додаткові опори. Виводи обмоток з’єднуються за схемою «зірка».

Додатковий опір вводиться тільки при пуску двигуна. Причому ним зазвичай служить ступінчастий реостат, опір якого зменшують зі збільшенням оборотів двигуна. Таким чином пуск двигуна здійснюється теж ступінчасто. Після того, як розгін закінчився і двигун вийшов на природну механічну характеристику, обмотку ротора закорочують. Для того, щоб зберегти щітки і понизити втрати на них, в двигунах з фазним ротором існує спеціальний пристрій, який піднімає щітки і замикає кільця. Таким чином, вдається підвищити ще і ККД двигуна.

Додатковий опір дозволяє головним чином здійснити пуск двигуна під навантаженням, працювати з ним тривалий час двигун не може, оскільки механічні характеристики занадто м’які і робота двигуна на них нестабільна.

Для того, щоб автоматизувати пуск двигуна, в обмотку ротора включають індуктивність. У момент пуску, частота струму в роторі найбільша, а значить і індуктивний опір максимальний. Потім, при розгоні двигуна, частота, як і опір зменшуються, і двигун поступово починає працювати в звичайному режимі.

За рахунок ускладнення своєї конструкції, асинхронний двигун з фазним ротором, має хороші пускові і регулювальні характеристики. Але з тієї ж причини, його вартість зростає приблизно в 1.5 в порівнянні із звичайним асинхронним двигуном, крім того збільшується маса, розміри і як правило, зменшується надійність двигуна.

Синхронний двигун

На відміну від асинхронного двигуна частота обертання синхронного двигуна постійна при різних навантаженнях. Синхронні двигуни знаходять застосування для приводу машин постійної швидкості (насоси, компресори, вентилятори).

Будова синхронного двигуна

В статорі синхронного двигуна розміщена обмотка, яка підключається до мережі трифазного струму і утворює магнітне поле, що обертається. Ротор двигуна побудований із сердечника з обмоткою збудження. Остання через контактні кільця підключається до джерела постійного струму. Струм прохолячи через обмотку збудження породжує магнітне поле, яке намагнічує ротор.

Ротори синхронного двигуна

Ротори синхронних моторыв можуть бути явнополюсними (з явно вираженими полюсами) і неявнополюсними (з неявно вираженими полюсами). На зображені вище а) показаний сердечник 1 явнополюсного ротора з полюсами, що виступають. На полюсах розміщені котушки збудження 2. На зображені б) показаний неявнополюсний ротор, який є феромагнітним циліндром 1. На поверхні ротора в осьовому напрямі фрезерують пази, в які вкладають обмотку збудження 2.

Принцип дії синхронного двигуна

Розглянемо принцип роботи синхронного двигуна на моделі.

Принцип дії синхронного двигуна

На малюнку зліва магнітне поле статора, який обертається, зобразимо у вигляді магніта 1. Намагнічений ротор покажемо у вигляді магніта 2. Повертаємо магніт 1 на кут α. Північний магнітний полюс першого магніта (1) притягне південний полюс дгугого магніта (2), а південний полюс першого магніта (1) – північний полюс другого магніта (2). Другий магніт (2) обернеться на такий же кут α. Обертатимемо перший магніт (1). Другий магніт (20 обертатиметься разом з першим магнітом (1), причому частоти обертання обох магнітів будуть однаковими, синхронними, n2=n1.

Синхронний реактивний двигун

Синхронний реактивний двигун — це тип синхронного двигуна, на роторі якого відсутня обмотка збудження.

В якості матеріалу для ротора синхронного реактивного двигуна використовується феромагнетик з явновираженими полюсами. Магнітне поле статора обертається та намагнічує ротор. Явнополюсний ротор володіє неоднаковими магнітними опорами по поздовжній та поперечній осях полюса. Силові лінії магнітного поля статора вигинаються і прагнуть пройти шляхом з меншим магнітним опором. Завдяки пружним властивостям силових ліній деформація магнітного поля викличе реактивний момент, котрий обертатиме ротор синхронно з полем статора.

Пуск в хід і регулювання частоти обертання синхронного двигуна

У синхронному двигуні відсутній початковий пусковий момент. При підключені обмотки якоря до мережі змінного струму, коли ротор нерухомий, а через обмотку збудження проходить постійний струм, то як результат за один період зміни струму електромагнітний момент двічі мінятиме свій напрям, а це означає, що середній момент за період буде рівний нулю.

Звідси випливає, що для того, аби запустити синхронний двигун потрібно розігнати його ротор з використанням зовнішнього моменту до частоти обертання, близької до синхронної. Тому синхронний двигун пускають в хід як асинхронний, для чого його забезпечують спеціальною короткозамкнутою пусковою обмоткою.

Реклама