Асинхронен двигател

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Създателите на трифазните електрически машини - Никола Тесла, Михаил О. Доливо-Доброволски и Галилео Ферари
ЕЛПРОМ-Троян - едно от най-добрите български предприятия за производство на асинхронни машини с малки и средни мощности - днес е в неработоспособно състояние благодарение на Николай Банев и др.
Разглобена 6-полюсна асинхронна машина с накъсо съединен ротор и вътрешно охлаждане, произведена в началото на 50-те години в силнотоковия завод край София. Вижда се, че статорната намотка е импрегнирана с битум.
Двуполюсен трифазен асинхронен двигател, произведен в завода за асинхронни двигатели (ЗАЕ) гр. Пловдив, България, 1963. Мощност 10 kW при 2910 min-1 ,КПД 0,882, тип АО2-51-2.
Статор с намотка на двускоростна асинхронна трифазна машина с 4/8 полюса, произведена от "Елпром Харманли", България.
Диаграма на намотката на трифазна двускоростна асинхронна машина с 4/8 полюса и съединение Д/YY. На всяка фазна намотка отговаря един от трите цвята (RGB).
Накъсосъединен ротор с 33 скосени канала за двускоростна асинхронна машина. Виждат се лопатките за вътрешно обдухване на челните съединения на статорната намотка, както и пъпките за занитване на балансиращи тежести.
Два съвременни трифазни асинхронни двигателя с външно охлаждане

Асинхронният двигател е променливотокова електрическа машина. Може да бъде трифазен или еднофазен. Също така е възможно трифазен асинхронен двигател да работи като еднофазен. Асинхронните двигатели се наричат още индукционни двигатели.

История[редактиране | edit source]

Асинхронните машини възникват като замисъл и реализация почти едновременно със синхронните - в края на деветнадесетото столетие в резултат на упорития творчески труд на трима души - Никола Тесла, Михаил О. Доливо-Доброволски и Галилео Ферари. Те работят напълно независимо в почти диаметрално противоположни области от планетата. Всеки от тях разработва асинхронната си машина наред с късосъединената й "версия" (с ротор накъсо) и с дву- и трифазната токови системи, съединенията "звезда" и "многоъгълник" и т.н.

В България производството на асинхронни машини с предназначение двигатели започва едва през тридесетте години на 20 век в малки частни работилници в градове като Троян, Ловеч, Габрово и София. По-късно е построен силнотоковият завод "Васил Коларов" край София, където започва серийно производство на електрически машини. През 50-те години развитието на отрасъла е бурно - страната се електрифицира, строят се заводи, има огромна нужда от двигатели в производството и в електротранспорта, от генератори в електроцентралите. Производството на електрически машини се разпределя по територията на страната и заводите се специализират.

Например, големите асинхронни машини продължават да се произвеждат в силнотоковия завод край София, средно големите (от 4-ти, 5-ти, а по-късно и от 6-ти) габарити се преместват за производство в Пловдив - в известния завод "ЗАЕ-Пловдив" в началото на 60-те - и в Харманли ("ЗЕД Димо Дичев - Харманли"), а малките, които имат най-богата и разнообразна номенклатура, се преместват в Троян (легендарният завод "ЕЛПРОМ-Троян") и в Тетевен.

Развитието на изследванията в областта на електрическите машини в НИПКИЕП "Никола Белопитов" довеждат до впечатляващи целия свят резултати - непрекъснато се подобряват енергийните, експлоатационните и естетико-ергономичните характеристики на асинхронните двигатели, произведени в България. Кулминацията на резултатите от труда на стотиците ни блестящи инженери и администратори като Никола Белопитов, Трайко Атанасов, Иван Попов, Панчо Дундаров, Ботьо Михайлов, Кръстьо Станилов и много други, е това, че България става основен производител на асинхронни ел. машини за целия СИВ.

Нашите асинхронни двигатели, произведени между 1960 и 1990 година, попадат в челната петорка на такива машини, произведени от световно утвърдени и доказали се производители по отношение на високи ефективност, фактор на мощността и надеждност.

В днешно време гръцки и други чуждестранни марки асинхронни електродвигатели като Valiadis, Lenze, Siemens и други владеят българския пазар и отнемат поминъка на хиляди хора.

Видове[редактиране | edit source]

  1. Асинхронен двигател с навит ротор
  2. Асинхронен двигател с накъсо съединен ротор
  3. Кондензаторен асинхронен двигател
  4. Асинхронен двигател с помощна съпротивителна намотка
  5. Асинхронен двигател (еднофазен) с екранирани полюси (и с накъсо съединен ротор)


Принцип на действие[редактиране | edit source]

Поради това, че разглеждаме асинхронните машини в най-общ план, вкл. и линейните, вместо понятието ротор, което се отнася само за въртящите се машини, ще използваме по-общия термин "работно тяло".

Асинхронната машина по отношение принципа си на действие, представлява трансформатор, чиято вторична намотка е намотката на или самото работно тяло. Когато се създадат условия променливото магнитно поле на статорната намотка да възбуди чрез индукция токове в роторната (вторична) намотка, тези токове са насочени така, че се стремят да противодействат с магнитното си поле на промяната на породилото ги статорно поле - известното правило на Ленц. Тези роторни токове, намиращи се в суперпозицията на статорното и тяхното собствено магнитни полета, започват да изпитват главно тангенциално насочени лоренцови сили. По този начин се формира въртящият момент на ротационните асинхронни машини или срязващото усилие при линейните. Лоренцовата сила обаче не е чисто тангенциално насочена - това се отнася само за главната й компонента. Друга компонента е насочена радиално при ротационните машини и се стреми да свие намотката на ротора към оста, отблъсквайки я по отношение на статора.

При линейните машини това отблъскване на работното тяло от статора се проявява като левитация - статорът едновременно повдига и движи тялото. С подобни линейни двигатели са снабдени някои високоскоростни влакове. Често работното тяло представлява просто токово огледало - масивна метална ивица, в която се завихрят токове на Фуко. Разработени са и асинхронни двигатели с конусни ротори със специализирано приложение в подемната техника (телфери), понеже могат да служат и като аварийна спирачка при прекъсване на захранването. Поради коничната форма на ротора, възникват и аксиално насочени сили. Едната от тях е споменатата компонента на лоренцовата сила, която се стреми да отблъсне ротора от статора. Другата сила възниква поради това, че при магнитните машини със стоманени сърцевини индуктивността на статораната намотка при изваден ротор е по-малка от тази при прибран в статора неподвижен ротор. Тази сила (с която магнит привлича котва или ярем) е по-голяма от отблъскващата при отдалечен ротор и поради това роторът се стреми да се прибере в статора (впрочем, същият ефект се използва при почти всички видове електромеханични релета, магнет-вентили, асансьорни спирачки, релета на стартери за двигатели с вътр. горене и др.). Когато роторът се приближи достатъчно, двете сили се уравновесяват, установявайки определена стойност на въздушната междина между ротора и статора. В някои конструкции междината се установява изкуствено чрез поставяне механични ограничители на аксиалния ход на ротора. При липса или при недостатъчно напрежение на намотката на статора, мощна пружина притиска твърдо прикрепена към ротора полирана стоманена повърхност към специална феродова накладка, монтирана върху стационарния корпус на статора - така двигателят е блокиран. Тези двигатели са разработени и внедрени в България от инж. Трайко Атанасов през 50-те години на ХХ век. Днес такива двигатели се произвеждат в гр. Велико Търново.

Трансформаторното действие на асинхронната машина изисква работното тяло да се движи с тангенциална скорост, различна от тази на индуциращото в него токове статорно променливо магнитно поле. Така е, защото честотата на индуцираните в проводниците на работното тяло токове е равна на абсолютната стойност от разликата между честотата на статорното поле и честотата, измерена в чифтове полюси, пресечени за единица време, на движение на работното тяло.

Когато асинхронната машина работи като двигател, работното тяло изостава спрямо статорното поле. Докато двигателят ускорява при старт, в работното му тяло честотата на индуцираните токове монотонно намалява, но не достига нула, защото при нулева честота не би имало индукция и, съответно, би изчезнала причината за лоренцовата сила, а оттам - и за движение на работното тяло. Обратно, когато асинхронната машина работи в генераторен режим, нейното статорно поле изостава спрямо движението на работното тяло. Ходът на разсъжденията е аналогичен, но е в обратен ред.

Въпросното изоставане се нарича хлъзгане и се изразява като разликата в честотите, отнесена към статорната честота. Обикновено се дава в проценти, за която цел е нужно просто умножаване по 100. Като правило, колкото по-нискоефективна е машината, т. е. колкото по-големи са общите загуби на енергия в нея във вид на топлина, толкова по-голямо хлъзгане се явява, за да ги компенсира. Също, понеже по-маломощните машини са по-ниско ефективни от големите си събратя, те имат и по-голямо хлъзгане. Фактът, че малките машини са с по-ниски енергийни показатели не е случаен и се дължи на това, че се изработват с по-малък брой канали, с относително по-голяма междина (сравнено с размера на машината), а и поради по-голямото съотношение повърхност/обем на статорния пакет имат относително по-голямо разсеяно поле, което индуцира вихрови токове в корпуса. Основни източници на загуби в асинхронните машини са джауловите загуби в проводниците (поради ненулевото им съпротивление - закон на Джаул-Ленц), загубите от пренамагнитване на магнитопроводящия материал (най-често силициева стомана), загубите за генерация на хармонични на основното магнитно поле, лагерните загуби, загубите от вихрови и блуждаещи токове в корпуса и вала, породени от разсеяните магнитни полета, загубите за самообдухване и самоохлаждане на машината и сравнително нищожните (но само при ниски честоти и при малки в сравнение с дължината на вълната размери на машината!) загуби за излъчване на електромагнитни вълни.

Асинхронните машини създават редица трудности при пускане и по-общо при преходни процеси. В двигателен режим тези трудности се изразяват в това, че ако машината е с късосъединен ротор, директното й присъединяване към мрежовото напрежение е еквивалентно на включване на трансформатор с накъсо съединена вторична намотка - протичат извънредно големи пускови токове докато работното тяло се ускори до номинална тангенциална скорост. Това е особено голям недостатък при машини с големи инерчни моменти, присъединени към вала, при тежки пускови условия, при понижено захранващо напрежение, повишена температура на околната среда и др. неблагоприятни обстоятелства. За избягване на този ефект са разработени редица подходи, както вътрешно-конструктивни за машината, така и отнасящи се до захранването й. Пример за вътрешна борба с големия пусков ток е навиването на ротора с намотка, която може да се присъедини чрез пръстени и четки към външен пусков реостат с постепенно намаляващо приблизително до нула съпротивление.

Друг вътрешен подход е изработването на ротори с дълбоки и тесни проводници (и съответно канали в магнитопровода на работното тяло за полагането им), на ротори с двойни коаксиални кафези, от които външният е изработен от сплав с голямо специфично съпротивление - и в двата случая се използва честотно зависимото отместване на тока по сечението на проводника в работното тяло - т. нар. скин-ефект. Когато двигателят стартира, честотата на токовете в проводниците на работното тяло е висока и въпросният ефект е силен (той е честотно зависим) и изтласква токовете в най-повърхностните части на проводниците, което е еквивалентно на намаляване сечението и съответно, на увеличаване на съпротивлението на тези проводници. С ускоряването на работното тяло (ротора при въртящите машини) ефектът намалява и токовете се разпределят по-равномерно по сечението на проводниците, съпротивлението спада. Всичко това става автоматично, без външен контрол. Най-добрият начин за пускане в ход на асинхронна машина в двигателен режим, обаче, е плавното нарастване на честотата на напрежението, захранващо статора, от нула до номиналната. При това напрежението също трябва да нараства от нула до номиналното, така че отношението му към честотата да остава непроменено (константа). Тук е подходящото място да се вметне, че асинхронната машина може да работи в широк диапазон от честоти на захранващото напрежение, а по този начин и с широк диапазон от скорости, стига да са спазени следните условия:

1). Отношението на напрежението към честотата на синусоидалното захранване трябва да се запазва - примерно машина, работеща при 220 V / 50 Hz, може да работи и на 60 Hz, но при напрежение 264 V. Индуктивното съпротивление на намотките, естествено, расте с честотата;

2). Роторът при въртящите машини трябва да е балансиран за целия диапазон от скорости на въртене и да няма критична скорост в този диапазон;

3). Загубите от токове на Фуко в магнитопрвода трябва да остават допустимо малки при най-високата предвидена работна честота.

Като най-популярен в практиката метод за ограничаване на пусковите токове при старт на машината се е наложило стъпалното регулиране на подаденото към статорната намотка напрежение чрез превключване на части от нея по специфичен начин (при трифазните машини - известното превключване "звезда - триъгълник", което на схемите се отбелязва като "Υ/Δ").

Генераторният режим при асинхронните машини е съпроводен с тази трудност, че не винаги в магнитопровода на машината, който се прави от магнитно мек материал (с малка коерцетивна сила), е налична нужната остатъчна намагнитеност, че да се самовъзбуди машината под товар. Ето защо е необходимо машината или да се сфазира и присъедини към мрежа, която е вече под напрежение, или да се присъедини към капацитети, заредени в началния момент и осигуряващи необходимата по време на работа реактивна мощност. Аналогична е и работата на асинхронната машина в паралел със синхронен двигател, служещ като компенсатор на фактора на мощността. Поради хлъзгането в асинхронните машини, техният фактор на мощността е винаги по-малък от единица (или от 100%). Любопитно обстоятелство е, че ако роторният кафез, или по-общо, работното тяло, бъде направено от свръхпроводник, асинхронната машина се превръща в синхронна, при условие, че максималната магнитната индукция не превишава критичната за свръхпроводника стойност.

Скорост на въртене[редактиране | edit source]

При захранване на намотките на статора се създава въртящо магнитно поле с честота на въртене n_1\,\! [об/мин] която е свързана с честотата на мрежата f\,\! [Hz] в съотношение:

n_1 = \frac{60f}{p},

където p\,\! — броя чифтове магнитни полюси на намотката на статора.

При практическа работа с асинхронни машини е удобно да се въведе и използва величината хлъзгане (англ. Slip), представляваща разликата между синхронната скорост на статорното въртящо магнитно поле и действителната скорост на въртене на ротора на машината. Същото наименование се употребява и за отношението на хлъзгането към синхронната скорост (относителното изоставане в двигателен режим) на ротора спрямо статорното поле:

s = \frac{n_s-n_r}{n_s}\,

където n_s е скоростта на статорното поле (синхронната скорост), а n_r е роторната скорост. За да се получи в проценти от синхронната скорост, същото се умножава по 100.

Смяна посока на въртене (реверс)[редактиране | edit source]

При трифазните асинхронни двигатели размяна на местата на две от фазите се променя посоката на въртене.

Еднофазният двигател се състои от статорна работна и пускова намотка. Двете намотки са отместени фазово на 90 градуса. Към пусковата намотка се свързва подходящ пусков кондензатор (около 70 микрофарада за всеки киловат), чрез който се осъществява завъртането на ротора. Работният (номинален) капацитет (при номинално натоварване и в установен режим) може да се оцени сравнително точно само ако се отчете факторът на мощността на конкретната машина и същият се замести в следната емпирична формула, която го дава в микрофаради:

C_n \approx \frac{1950I}{U_n\cos\varphi},

където I_n\,\! e номиналният ток на машината, U_n\,\! е номиналното напрежение, а \cos\varphi  = \frac{P_n}{S_n} е споменатият фактор на мощността (отношението на активната към привидната мощности). Пусковият капацитет е винаги по-голям от работния при директно включване на двигателя към мрежата (без честотно регулиране) и обикновено е между 1,5 и 3 пъти C_n. Пусковата намотка работи само при първоначалното завъртане на двигателя и след това се изключва с помощта на центробежен изключвател. Посоката на въртене зависи от промяната на тока в пусковата намотка.

Асинхронна машина с навит (фазов) ротор[редактиране | edit source]

Това е клас от асинхронни машини, при които роторът е снабден с трифазна намотка, еднотипна със статорната (със същия брой полюси), която посредством 3 или 4 контактни пръстена се свързва с т. нар. пускорегулиращ реостат, намиращ се извън машината. Четките, осъществяващи електрическия контакт с контактните пръстени, представляват част от цялостен полуавтоматичен механизъм, наречен четкоповдигач и късосъединител. Тези машини позволяват избягването на големия пусков ток, характерен за машините с кафезен ротор, който превишава номиналния 5 до 8 пъти и може да бъде опасен както за машината, така и за разпределителната мрежа. Освен това се развъртат постепенно, без да се получават импулсни торсионни претоварвания в задвижваните механизми. Това става по следния начин. Асинхронната машина с навит ротор представлява чист трифазен трансформатор, чиято вторична намотка е намотката на ротора. Ако тя бъде съединена с товар през контактните пръстени, през нея започва да протича ток. Колкото по-голям е този ток, толкова по-голям става въртящия момент, получен при взаимодействието му със статорното магнитно поле. При постоянен механичен товар на вала на двигателя това резултира в по-голяма скорост на въртене (по-близка до синхронната за дадения брой полюси). Именно по този начин се пуска в ход асинхронната машина с навит ротор, когато тя работи в двигателен режим - чрез пускорегулиращия реостат роторната намотка се натоварва с плавно намаляващи почти до нула съпротивления, еднакви по големина и свързани между краищата й. Подобни машини се прилагат там, където е необходим плавен пуск, а мощността е голяма. Пускорегулиращият реостат трябва да бъде в състояние да разсейва значителна част от мощността на двигателя в продължение на целия пусков процес, който може да трае минути. Ето защо той обикновено се изпълнява с принудително охлаждане и самоходен механизъм (който да го върти равномерно или според обратна връзка, свързана с тахометър, отчитащ скоростта на пускания двигател). В края на пусковия процес четките се повдигат и се отделят от контактните пръстени, а късосъединителят (обикновено закрепен на ротора) затваря намотката накъсо. С това последно действие машината ефективно се преобразува в такава с накъсо съединен ротор. Хлъзгането е намаляло от синхронната скорост (в началото, при неподвижен ротор) до номиналната си стойност.

Фактор на мощността[редактиране | edit source]

Факторът на мощността (\cos\varphi) представлява отношението на активната мощност, която машината потребява от мрежата, към привидната (включваща и реактивната компонента). Това е величина, характерна за всичи променливотокови машини. Обикновено конструкторите се стремят да я приближат максимално до единица, защото в противен случай машината консумира неоправдано голям ток, който нагрява както нея, така и захранващата линия, налагайки също така ненужно преоразмерени предпазители, прекъсвачи и др. елементи. При това реактивната компонента на тока не участва пряко в извършването на полезна работа от машината. Но в определени специфични случаи се правят компромиси - например, когато трябва да се построи машина с по-голяма претоварваща способност, това отчасти се постига с увеличаване на въздушната междина, което пък води до известно намаляване на \cos\varphi.

Основните конструктивни фактори, ограничаващи фактора на мощността, се отнасят до практическата непостижимост на чисто синусовото поле (без хармонични в спектъра). А това са най-вече използването на магнитни материали с нелинейна връзка между намагнитващия ток и индукцията (хистерезисна крива вместо права), сравнително грубата дискретизация на магнитопровода с краен брой канали и зъби (16, 24, 36, 48 и 72 са типични стойности за статорите на въртящите машини), наличието на въздушна междина и разсеяните полета. За да се максимизира факторът на мощността на една реална асинхронна машина, тя трябва да се конструира така, щото да бъде с максимален брой канали на статора и ротора (при въртящите), максималната индукция във всяка област на магнитопровода да попада в сравнително линейния участък от хистерезисната крива, т. е. да няма локално пренасищане където и да е), да бъде с подходящо съотношение на броевете и скосяване на статорните и роторните зъби, да бъде с минимална въздушна междина и с подходяща форма на зъбите и каналите, статорът трябва да бъде с дължина на пакета, равна или близка до външния диаметър, а така също да се използва равносекционна намотка, за която е доказано, че дава най-ниски хармонични съставни.

Очевидно всичко изброено е налице при особено големите машини, които се изработват с твърде голямо старание и прецизност. Затова не е чудно, че те имат и най-висок фактор на мощността. Напротив, при машините с малка мощност невинаги е оправдано те да се правят по този начин, защото това би направило производството им извънредно сложно и скъпо, а разходът на материали и масата им биха били незадоволително големи от гледна точка на начална инвестиция. Повишаването на фактора на мощността при малките машини е оправдано икономически само при условие, че броят им е много голям и че ще се използват много дълго време. Това са условията, при които по-голямата начална инвестиция при закупуването им се изплаща в процеса на експлоатацията им чрез спестени разходи за електроенергия (факторът на мощността е пряко свързан с КПД) и за преоразмерени ел. разпределителни мрежи и устройства. С други думи, нужно е дългосрочно и глобално планиране на експлоатацията.

Източници[редактиране | edit source]

Христо Александров - Обща електротехника, изд. "Техника", 1959

Иван Попов - Електрически машини, изд. "Техника", 196х

Трайко Атанасов, Георги Гаджев - Експлоатация и ремонт на електрически машини, изд. "Техника", 195х, 1963

П. Дундаров, К. Станилов, Цветан Христов и др. - История на електротехническата промишленост в България, изд. "Мики принт", 2007

Сайт за Никола Белопитов: http://nbelopitov.info/publications.html