Асинхронный двигатель

Наибольшее распространение в промышленности получил асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором (squirrel-cageinductionmotor). Честь его изобретения принадлежит М. Доливо-Добровольскому в 1890 г. Такой двигатель имеет ряд достоинств: высокий к.п.д., высокую надежность, простоту конструкции, низкую стоимость. Его недостатки: сложность регулирования частоты вращения и большие пусковые токи в настоящее время преодолены, благодаря современным электронным средствам коммутации и управления с помощью ЭВМ, удешевившим частотное управление приводом. Внешний вид двигателя приведен на рис. 4 [1].

.

Рисунок 4. Асинхронный короткозамкнутый двигатель, внешний вид.

Induction motors are now the preferred choice for industrial motors due to their rugged construction, absence of brushes (which are required in most DC motors) and — thanks to modern power electronics — the ability to control the speed of the motor.

Рисунок 4. Асинхронный короткозамкнутый двигатель, внутреннее устройство [11].

В современной системе электроснабжения применяют 3 фазы напряжения и тока, подаваемые по трем проводам. Изначально на электростанции турбогенераторы создают переменное напряжение, вращая электромагнит ротора внутри 3-х фазной обмотки статора. На рис. 5 внизу показаны различные положения вращающегося ротора (полюса магнита Ю и С в соответствии со стрелкой компаса) и соответственно значения каждой из 3-х фаз тока: I₁, I₂, I₃. Для удобства представления каждая синусоида изображается вращающимся вектором, при этом она получается как проекция на вертикальную координатную ось. Эти 3 синусоиды принято изображать, как на рис.6, а фазы обозначать латинскими буквами А, В, С.

Рисунок 5. Получение 3-х фазного тока в генераторе

Рисунок 6. Трехфазная система напряжений и токов

Когда трехфазный ток попадает в аналогичную генератору трехфазную обмотку статора электродвигателя, то он также создает вращающееся магнитное поле. Но ротор двигателя построен совершенно иначе. У него изначально нет никаких магнитов, в роторе помещены короткозамкнутые толстые проводники, как изображено на рис. 7.

Рисунок 7. Обмотка ротора типа «беличья клетка»

При включении электродвигателя в сеть вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора, наводя в них э.д.с. (отсюда англ. название “inductionmotor”). Эта э.д.с. создает токи, которые создают магнитный поток, сцепляющийся с полем статора. Это поле увлекает за собой ротор, который начинает вращаться. В первый момент пуска поле статора вращается относительно ротора с максимальной частотойω0 = 2 π f, где: f – частота электросети, равная 50 Гц (в Европе). Постепенно ротор раскручивается, разница частот вращения ротораω1и поля статора:ω0 – ω1 уменьшается, но она не может сравняться с нулем. Причина здесь в том, что при нулевой разнице поле статора не будет пересекать проводники ротора, не будет токов ротора и не будет сцепления ротора с полем статора. Относительную разницу частот вращения ротора и поля статора принято называть скольжениемs = (ω0 – ω1) / ω0; 1 ≥ s ≥0. В момент пуска асинхронный короткозамкнутый двигатель потребляет большой пусковой ток, при этомs=1. Он похож на трансформатор, у которого накоротко замкнута вторичная обмотка, в которой течет большой ток короткого замыкания. По мере раскручивания ротора, ток в нем уменьшается, уменьшается и ток статора, потребляемый от электросети.

Из-за больших бросков тока пуск асинхронного короткозамкнутого двигателя, особенно большой мощности, создает проблемы для другого оборудования, подключенного к сети, так как в сети падает напряжение. Применение частотного регулирования скорости двигателя снимает проблемы пуска. На рис.2 справа показана механическая характеристика асинхронного двигателя. В момент пуска при неподвижном роторе двигатель развивает пусковой момент Мп, показанный точкой на горизонтальной оси приω = 0. Двигатель может раскручиваться, если момент сопротивления от нагрузки меньшеМп. На рис.2Мн обозначает номинальный момент нагрузки, на который рассчитан двигатель. Частота вращения растет и устанавливается в верхней точке на вертикалиМн,на графике предполагается, что момент нагрузки равенМн,при этом существует некоторое скольжение. Если снять момент нагрузкиМн, то установится так называемый режим холостого хода, когда скольжение уменьшится почти до нуля, и ротор будет вращаться почти с максимальной частотойω0.