Асинхронды қозғалтқыштар

Асинхронды  қозғалтқыштардың  электр  энергиясын механикалық энергияға  түрлендірудің  электр  физикалық  процесі.   Асинхронды қозғалтқыш электр энергиясын механикалық энергияға айналдыру үшін статор орамасында біліктік айналдыратын айнымалы магнит өрісі пайда болуы керек.

Ол үшін қажетті және міндетті түрде үш шарт орындалуы  тиіс:

• статорда кемінде екі орама болу;
• орама статордың ойықтарындағы кеңістікке геометриялық біріне бірі қиғаш орналасуы;
• орамалардағы токтар, уақыт жағынан бір-бірінен ығысқан болуы;

Сонымен айнымалы магнит өрісін туғызуы үшін статордың орамалары  аймақтық (геометриялық) ығыса орналасуы, ал ондағы токтар уақыты жағынан бір-бірінен ығысуы болуы тиіс. Үшфазалы асинхронды электр қозғалтқыш статорының орамасы үшфазалы электр желісіне қосылғанда айнымалы электр өрісін туғызудың үш шартын орындайды және ротор орамасымен бірігіп электр энергиясын білікті айналдытарын механикалық энергияға айналдырады. Мұндай өзгертудің электр физикалық процесі мына ретпен іске асырылады. Статор фазаларының Ү немесе Δ сұлбалары бойынша жалғанып, үшфазалы электр желісіне қосылады. Олардың әрқайсысында уақыт жағынан бір-бірінен ығысқан синусоидалы айнымалы ток пайда болады, ол айнымалы үш магнит ағынын туғызады. Токтар сияқты уақыт жағынан бір-бірінен ауытқулы айнымалы үш магнит ағынының өзара әрекеттесуінен    50Гц жиілікте   t = φ/ω = (2π/3)/ 2π ƒ = (2π/3) /2π50 = 0,00667 ≈ 0,007 секунд өзгермейтін қорытындылаушы толықсушысы магнит өрісін туғызады, ал асинхронды қозғалтқыштың бір фазасының орамында толықсушы магнит ағынының бір жарым еселік амплитудалық мәніне тең болады:

Ф = Ф_1m                                       

 

Статордың үшфазалы орамасы жасаған магнит өрісінің ерекшелік сипаты, ол ал уақыттың өзгеруіне қарамастан мөлшері жағынан тұрақтылығын сақтайды, статордың ішкі ойығының бетінің ұзын бойымен бір қалыпты айналады. Бұл магнит өрісі тұрақты магнит өрісі сияқты  жылжымайтын статордың маңында бір қалыпты, n₁ жылдамдықпен айналады Статор орамасының айнымалы өрісі, өзінің айналу процесіне асинхронды қозғалтқыш роторының орамасын қиып өтіп, электр магниттік индукция заңы бойынша онда ЭҚК индукциялайды:

 

                                      e₂ = w₂

 

мұндағы w₂ – ртор орамасындағы орам саны қысқа тұйықталған роторлы асинхронды қозғалтқыштардың, егер ротордың орамасы  барылқ кезде тұйықтаулы, онда индукцияланған ЭҚК e₂ – нің әсерінен синусоидалы айнымалы ток туындайды. Ол статор орамасы сияқты айнымалы магнит өрісін жасайды. Статор мен ротордың магнит ағындарының өзара әсерлесуі бір жағындағы секция орамасындағы магнит өрісін күшейтеді (статор мен ротордың магнит күш сызығының бағыты біріне бірі дәл келеді) және сол секцияның екінші жағындағы  магнит өрісін әлсіретеді (статор мен ротордың магнит күш сызықтары біріне – бірі қарсы бағытталған. Оының нәтижесінде магнит ағынының симетрясыздығынан секция орамасы жағынан электр  динамикалық күш F  күш әсер етеді, ол  статордың да, ротордың да  орамаларына бірдей дәрежеде әсер ететін электр магнитттік  момент туғызады. Статор қозғалмайтындай етіп орнатылып бекітілген, ал білікке бекітілген ротор айгөлектер арқылы мықтап корпусқа  бекітілгендіктен, ол n₂ жылдамдығымен айналысқа түседі. Егер роторды бекітіп статорды босатса, онда айналықа статор түседі. Сонымен статор  орамасына беріогн электр энергиясы магнит энергиясы арқылы ротордың білігін  айналдыратын механикалық   энергияға түрленеді. Мұнда ротордың айналу жылдамдылығынан ылғи да аз болады. (n₂ < n) себебі олардың жылдамдықтары бірдей болған жағдайда ротор орамасының ормдары статор орамасының  магнит өрісін қиып өтпейді де, онда ротордың ЭҚК индукцияланбайды. Ротродың орамасында ток пен магнит өрісі болмайды, демек айналдыру моменті де болмайды. Ротордың айналу жылдамдығы төмендейді, раманың магнит өрісі ротор орамасын қайтадан қиып өте бастайды қиып өтк бастайды да ЭҚК, ок, магнит ағыны және айналдыру моменті қайтадан пайда болады, автоматты түрде ротордың ауналу жылдамдығы мен статор орамасының магнит өрісі арасындағы айырмашылықты автоматты түрде ұстап тұрады.  Сөйтіп асинхронды электрқозғалтқыштың ротроы барлық уақытта статор орамасының магнит өрісімен синхронды емес, үнемі асинхронды айналады. Осыдан келіп, асинхронды қозғалтқыш деп аталған. Ротор статор орамасының магнит өрісіне қарама – қарсы бағытта сырғитын сияқты көрінеді. Ротор мен статор орапмасының өрістерінің салыстырмалы айырмасы сырғанау шамасымен S сипатталады.

 

                            S =

 

мұндағы, n₁ – статор орамасы магнит өрісінің айналу жылдамдығы ,  n₂  - ротор орамасыныдағы магнит өрісінің айналу жылдамдығы; n₁ - n₂ – сырғанау  жылдамдығы.

Әдетте, жылдамдық - n₁  - ді, ал n_с синхронды айналу жылдамдығы  делінеді. Қалыпты жұмыс жағдайында асинхронды қозғалтқыштың сырғанауы аса жоғары емес, синхронды жылдамдықтың (2....6% - дай): S_H = 0, 002…..0,06. Қуаттылығы жоғары қозғалтқыштарда сырғанау аз.

Арнайы мақсатқа арналған қозғалтқыштардың сырғанауы синхронды жылдамдықтың (10-15% - на) дейін жетуі мүмкін. Статордың магнит өрісінің синхронды айналу жылдамдығы токтың жиілігі f₁ мен статор орамасының жұп полюсінің санына Р₁ байланысты:

 

                                                   n_c =

Жиілігі (f₁ = 50Гц) өндірістік токтың статор орамасы магнит өрісінің синхронды айналу жылдамдығының мүмкін болатын жоғарғы шамасы: n_{с =} 60f50/I = 3000 айн/мин. Асинхронды қозғалтқыштың статоры орамасының жұп полюстер саны артқан сайын кәдімгі жағдайда бестен көп болмайды, оның синхронды жылдамдығы еселі қатынаста төмендейді: 3000, 1500, 1000, 750, 600 және т.б. айн/мин. Шындығында магнит өрісінің бір полютен екіншісіне ауысу уақыты тұрақты болып қалуы тиіс болғандықтан, полюс санының өсуімен олардың арасы жақындайды, демек екі, жағдай да магнит өрісінің бірінен екіншісіне ауысу уақыты бірдей болуы үшін жылдамдық та азаюы тиіс. Асинхронды қозғалтқыштар роторының айналу жылдамдығы әдетте синхронды жылдамдықпен сырғанау арқылы бойынша өрнектеледі:

 

 

                                   n₂ = n₁ (1 - S)

 

Көп жағдайда айналу жылдамдығы айн/мин емес, рад/ с-пен жазылады және айналудың бұрыштық жиілігі  ω делінеді. Олар өзара мына теңдік ақылы беріледі:

 

                                          ω =

 

Онда сызуды, статор мен  ротор орамалы магнит өрісінің бұрыштық айналуы жиіліктері ω₁ және ω₂ арқылы көрсетуге болады:

                                        S = 1

ал ротордың бұрыштық айналу жиілгі

 

             ω₂ = ω₁ (I - S) арқылы  беріледі.

 

Асинхронды қозғалтқыштардың техникалық төл – құжаты болады, онда қызу температурасын қалыпты шамадан асырмай, керегінше  ұзақ жұмыс істеуге болатын қалыпты  өлшемдері келтіріледі. Қозғалтқышта жапсырылған қаңылтырда көрсетілген номинал параметрге: біліктегі механикалық қуат Р₂ ротро мен статорды жалғаудың мүмкін болған сұлбалары, сызықтық және фазалық кернеулер мен токтар, біліктің айнымалы n, ПӘК, cosφ және кейбір басқа да қосалқы мәні бар мағұлматтар болады.

Асинхронды қозғалтқыштың энергетикалық диаграммасы. Асинхронды қозғалтқыш стаоры орамасына берілген электр энергиясының білікті айналдыратын механикалық энергияға айналуы, оның машинаның әр түрлі бөлшектерінде шығын болуымен байланысты. Бұл асинхронды қозғалтқыштың жұмыс қасиеттерін білуде зор маңызы бар процесс.

Асинхронды қозғалтқыштың статоры  орамасына берілген электр энергиясының білікті айналдыратын механикалық  энергияға айналу сатылары бойынша  анық қадалауға, ондағы электр шығындарын білуге мүмкіндік береді.

Үшфазалы асинхронды қозғалтқыштың электр  желісінен алған активті қуаттылығы ЭТН курсынан белгілі өрнек бойынша анықталады:    

                                   P₁ =

Бұл қуаттың бір бөлігі статор орамасының өткізгіштері арқылы өткенде жұмсалады. Қуаттың бұл шығындары – мыстағы электр шығындары деп аталады:

 

                                    P_m1 = 3 R₁,

мұндағы, R₁ – статор орамасы фазасындағы Ом кдергілері; I₁ – статор орамасы фазасындағы ток.

Электр қуатының мыстағы  шығыны жылуға айналады да, статор орамасын қыздырады. Желіден тұтынылған қуаттың  енді бір бөлігі асинхронды қозғалтқыш статорының блаттарында пайда болған айнымалы магнит өрісінің әсерінен болатын құйынды токтар мен гистерезис құбылысына шығындалады. Олар статор болатындағы электр шығындары делініп, мына өрнекпен анықталады:

 

                                      P_с1 = P_{1 күй} + P_1ге

Құйынды ток Р_құй  мен гистерезис P_гс шығындары статор теміріндегі магнит индукциясының В_с жиілігінің өзгеруіне тәуелді. Олардың қорытынды мәні мына өрнекпен есептеледі:

                                  P_с1 = p₍₅₀₎B G_c,

мұндағы P₍₅₀₎ = (1.7 – 4.0);  B = 1.0 Тл және f = 50Гц кезінде статор болатына сортына  және қаңылтырдың қалыңдығына байланысты болатын меншікті шығын; В_с – статор болатндағы есепті индукция, Тл; G – статор массасы, кг.

Статор болатындағы  шығын статорды қыздыратын жылу ретінде де көрінеді. Мыстағы шығындар P_m мен статор орамасындағы және ротор болатындағы шығындарды алып тастаған соң қалған қуат – электр магниттік қуат делінеді.                     P_эм = P₁ – (P_m1 – P_c1)

Ол магнит өрісі арқылы ауа саңылауы бойынша асинхронды қозғалтқыштың роторының шығынсыз беріледі, ротордың орамасы тұйықталғанда онда және статорда қуаттың бір бөлігі орама өткізгіштерінде P_m(a)2 және ротор болатындағы P_c2 құйынды токтар мен гистерезистен электр шығындары ретінде жұмсалады.

Ротор орамасы мысындағы (алюминийде) шығндар сандық тұрғыдан мына өрнекпен анықталады:

 

                                     P_m2 = m₂I R₂,

мұндағы m₂ – ротор орамасының фазалар саны;  I₂ – ротор орамасы фазасының тогы; R₂ – ротор орамасы фазасының өткізгіштерінің кедергісі. Жұмысшы сырғанау шегі S < 0,1 болғандықтан ротор болатындағы шығындарды, әдетте елемейді (P_c2 ≈ O). Қажет кезінде оны P_c2 = P_(1/50)  S^β  B G_p өрнегі бойынша есептейді, мұндағы B - ротродағы индукция; G_р – ротор болатының массасы; S – сырғанау; β = (1,2…..1,5) – ротор болатының сортына байланысты дәреже көрсеткіші. Ротор мысындағы (алюминийде) шығынды P_m(А)2 алып тастағаннан кейінгі қуат, асинхронды қозғалтқыштың роторы дамытатын механикалық қуат P_мех деп аталады. Сонымен асинхронды қозғалтқышт роторы дамытатын механикалық қуат, оағн статор орамасының магнит өрісі берген электр магниттік қуаттан, ротор орамасындағы электр шығындарындай шамаға аз болады.

 

                                 P_mex = P_эм – P_м(А)2

Асинхронды қозғалтқыштардың біліктеріндегі механикалық қуат қозғалтқыш роторындағы механикалық қуаттан қосымша шығындар Р_қос шамасындай аз болады. Қосымша шығындарға қозғалтқыштың айналатын бөліктерінің ауамен үйкелісіне, айгөлектердің үйкелісіне, шашыраңқылық ағынына, статор мен ротродың тістеріне магнит ағындарының жоғары гармоникасына және басқа да себептерден болатын үстеме шығындар Р_ү жатады.

Қосымша шығындарды есептеу  деңгейінің дәлдігі іс жүзінде аса  жоғары емес. Сондықтан олар қозғалтқыштың  желіден алған активті қуатының пайыздық қатынас шамасында мөлшерлеп алынады. Қалыпты жүктемеде қосымша шығындар қозғалтқыш тұтынған қуаттың (1,8 – 0,8) % - ін) құрайды:

 

                      Р_доп = Р_мех + Р_доб ≈(0,018,.....0,008)Р₁

 

Қосымша шығындарды толығырақ есептеу үшін олардың құраушыларын жеке – жеке, ол үшін  Р_ү = 0,005P деп алып P_MEX – ті көрсетілген қисық сызықтар бойынша анықтайды. Сонымен, қозғалтқыш бетіндегі механикалық қуат Р₂ қозғалтқыштың желіден тұтынған қуатынан Р₁ жоғарыда аталған барлық шығындарды алып тастағандағы айырмасына тең:

 

                                     P₂ = P₁ – ΣΔP,

                      мұнда, ΣΔP = P_m1 + P_c1 + P_m2 + P_y

 

Тиімді пайдаланған  қуаттың (біліктегі қуат) асинхронды қозғалтқыштың электр желісінен  тұтынған активті қуатына қатынасы оның ПӘК – ін  анықтайтындықтан:

                                           

Бұдан асинхронды қозғалтқыш білігіндегі механикалық қуат  электр өлшемдері арқылы мына теңдеумен  өрнектеледі:

 

                               P₂ = P_1ή =

 

Асинхронды қозғалтқыштың электромагниттік моменті. Асинхронды қозғалтқыш білігіндегі электромагниттік моменті механикадан белгілі,  мына өрнек арқылы Ньютонмен анықталады.

                                        M₂ =

мұндғы   ω₂ = - ротордың бұрыштық айналу жиілігі, рад/с; Р₂ – біліктегі қуат, Ватт.

ω₂ - ні арқылы алмастырып, асинхронды қозғалтқыш білігіндегі моментті сырғанау функциясы түрінде аламыз:

                                      M₂ =

мұндағы ω₁ – статор орамасының магнит өрісінің  синхронды бұрыштық айналу жиілігі. Теңдеу асинхронды қозғалтқыш білігіндегі моменттің өзгеру сипаты туралы толық мағұлмат бермейді, себебі сырғанаудың өзгеруімен бір уақытта оның қуаты да өзгереді. Онымен қоса, жүргізіп жіберу кезінде, S = 1,0 кезінде теңдеуі анықталмаушылыққа келтіреді:

 

                                        M =

Асинхронды қозғалтқыштың  жұмыс қасиеттерін зерттеу үшін момент теңдеуін бір айнымалысы бар  функцияға, мысалы жылдамдыққа  немесе сырғанауға келтіру керек. Электр магниттік моментті электр магниттік қуат пен қозғалтқыш статоры орамасының магнит өрісінің бұрыштық айналу жиілігі арқылы көрсетіліп, мынаны аламыз:

                                         M_эм =

 

мұндағы

                                     Р_эм = m₂I

Асинхронды қозғалтқыш роторы орамасының Омдық кедергісі R₂ иен тогы I₂ эквивалентті электр сұлбасы өлшемдері арқылы....

 

                  I₂ = I = [I =cI ] = c I

 

 

              R₂ = R = ,

 

болғандықтан,  онда

 

       P_эм = m₂c² * (I )² * = m₁ (I )²

I тогын Ом заңы бойынша жазып Г тәрізді орнын басу сұлбасы:

 

 

                                I

 

оны – теңдеуге қою  арқылы, асинхронды қозғалтқышты эквивалентті электр сұлбасы арқылы электр магниттік  қуаттың түбегейлі өрнегін аламыз: