Асинхронный электродвигатель принцип
Асинхронный двигатель: принцип работы и устройство :
Из всего спектра выпускаемых в настоящее время электрических моторов наибольшее распространение получил двигатель асинхронный трёхфазный. Практически половина производимой в мире электроэнергии используется именно этими машинами. Они широко применяются в металлообрабатывающей и деревообрабатывающей промышленности. Асинхронный двигатель незаменим на фабриках и насосных станциях. Без таких машин не обойтись и в быту, где они используются и в другой домашней технике, и в ручном электроинструменте.
Область применения этих электрических машин расширяется с каждым днём, так как совершенствуются и сами модели, и используемые для их изготовления материалы.
Каковы же основные части этой машины
Разобрав двигатель асинхронный трехфазный, можно наблюдать два главных элемента.
1. Статор.
2. Ротор.
Одна из важнейших деталей - статор. На фото сверху эта часть двигателя расположена слева. Он состоит из следующих основных элементов:
1. Корпус. Он необходим для соединения всех деталей машины. Если двигатель небольшой, то корпус изготавливают цельнолитым. В качестве материала используют чугун. Применяются также сталь или сплавы алюминия. Иногда корпус малых двигателей совмещает функции сердечника. Если же двигатель имеет большие размеры и мощность, то корпус сваривают из отдельных частей.
2. Сердечник. Этот элемент двигателя запрессовывается в корпус. Служит он для улучшения качеств магнитной индукции. Выполняется сердечник из пластин электрической стали. Для того чтобы снизить потери, неизбежные при появлении вихревых токов, каждая пластина покрывается слоем специального лака.
3. Обмотка. Она размещается в пазах сердечника. Состоит из витков медной проволоки, которые собираются в секции. Соединённые в определённой последовательности, они образуют три катушки, которые в совокупности являются обмоткой статора. Подключается она непосредственно к сети, поэтому называется первичной.
Ротор — это подвижная часть двигателя. На фото он находится справа. Служит он для преобразования силы магнитных полей в механическую энергию. Состоит ротор асинхронного двигателя из следующих деталей:
1. Вал. На хвостовиках его закреплены подшипники. Они запрессовываются в щиты, крепящиеся болтами к торцовым стенкам коробки статора.
2. Сердечник, который собирается на валу. Состоит из пластин специальной стали, обладающей таким ценным свойством, как низкое сопротивление магнитным полям. Сердечник, обладая формой цилиндра, и является основой для укладки обмотки якоря. Роторная, или, как её ещё называют, вторичная обмотка получает энергию благодаря магнитному полю, которое появилось вокруг катушек статора при прохождении по ним электрического тока.
Двигатели по типу изготовления подвижной части
Различают двигатели:
1. Имеющие короткозамкнутую обмотку ротора. Один из вариантов исполнения этой детали показан на рисунке.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет обмотку, сделанную из алюминиевых стержней, которые располагаются в пазах сердечника. В торцевой части они замкнуты кольцами накоротко.
2. Электродвигатели, имеющие ротор, изготовленный с контактными кольцами.
У обоих типов асинхронных двигателей конструкция статора одинаковая. Различаются они только исполнением якоря.
Каков же принцип работы
Якорь трёхфазного асинхронного двигателя, исполненный подобным образом, приводится во вращение благодаря эффекту возникновения переменного магнитного поля в статорных катушках. Чтобы понять, каким образом это происходит, необходимо вспомнить физический закон самоиндукции. Он гласит, что вокруг проводника, по которому проходит поток заряженных частиц, возникает магнитное поле. Величина его будет прямо пропорциональна индуктивности провода и интенсивности протекающего в нём потока заряженных частиц. Кроме того, это магнитное поле формирует силу с определённой направленностью. Именно она нас и интересует, так как является причиной вращения ротора. Для эффективной работы двигателя необходимо иметь мощный магнитный поток. Создаётся он благодаря специальному способу монтажа первичной обмотки.
Известно, что источник питания имеет переменное напряжение. Следовательно, магнитное поле вокруг статора будет иметь такую же характеристику, напрямую зависящую от изменения тока в подающей сети. Примечательно то, что каждая фаза смещена одна относительно другой на 120˚.
Что происходит в обмотке статора
Каждая фаза сети питания подключается к соответствующей катушке статора, поэтому возникающее вокруг них магнитное поле будет смещено на 120˚. Источник питания имеет переменное напряжение, следовательно, вокруг катушек статора, которыми располагает асинхронный двигатель, будет возникать переменное магнитное поле. Схема асинхронного двигателя собирается так, чтобы магнитное поле, возникающее вокруг катушек статора, постепенно изменялось и последовательно переходило от одной обмотки к другой. Таким образом создаётся эффект вращающегося магнитного поля. Можно вычислить его частоту вращения. Измеряться она будет в оборотах за минуту. Определяется по формуле: n=60f/p, где f — это частота переменного тока в подключенной сети (Гц), p — соответствует числу пар полюсов, смонтированных на статоре.
Как работает ротор
Теперь необходимо рассмотреть, какие процессы возникают во вторичной обмотке. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет конструкционную особенность. Дело в том, что к его якорной обмотке напряжение не подводится. Оно там возникает благодаря магнитоиндукционной связи с первичной обмоткой. Поэтому и происходит процесс, обратный тому, что наблюдался в статоре, в соответствии с законом, который гласит, что при пересечении проводника, а в нашем случае это короткозамкнутая обмотка ротора, магнитным потоком в нём возникает электрический ток. Откуда берётся магнитное поле? Оно возникло вокруг первичной катушки при подключении трёхфазного источника питания.
Соединим статор и ротор. Что получится?
Таким образом, имеем асинхронный короткозамкнутый двигатель с ротором, в обмотке которого проходит электрический ток. Он и будет причиной возникновения магнитного поля вокруг якорной обмотки. Однако полярность этого потока будет отличаться от созданного статором. Соответственно, и сила, образуемая им, будет вступать в противодействие с той, которая вызвана магнитным полем первичной обмотки. Это и приведёт в движение ротор, так как на нём собрана вторичная катушка, и хвостовики вала якоря закреплены в корпусе двигателя на подшипниках.
Рассмотрим ситуацию взаимодействия сил, возникающих от магнитных полей статора и ротора, с течением времени. Знаем, что магнитное поле первичной обмотки вращается и обладает определённой частотой. Созданная им сила будет перемещаться, имея аналогичную скорость. Это заставит асинхронный двигатель заработать. И его ротор будет свободно вращаться вокруг оси.
Эффект скольжения
Ситуация, когда силовые потоки ротора как бы отталкиваются от вращающегося магнитного поля статора, получила название скольжения. Следует отметить, что частота асинхронного двигателя (n1) всегда меньше той, с которой перемещается магнитное поле статора. Объяснить это можно так. Чтобы в роторной обмотке возник ток, она должна быть пересечена магнитным потоком с определённой угловой скоростью. И поэтому справедливо утверждение, что скорость вращения вала больше либо равна нулю, но меньше интенсивности перемещения магнитного поля статора. Ротор имеет частоту вращения, зависящую от силы трения в подшипниках, а также от величины отбора мощности с вала ротора. Поэтому он как бы отстаёт от магнитного поля статора. Именно из-за этого частота называется асинхронной.
Таким образом, электроэнергия питающего источника преобразовалась в кинетическую энергию вращающегося вала. Скорость его вращения прямо пропорциональна частоте тока питающей сети и количеству пар полюсов статора. Для увеличения частоты вращения якоря можно использовать частотные преобразователи. Однако работа этих устройств должна быть согласована с количеством пар полюсов.
Как подключить двигатель к источнику питания
Чтобы осуществить пуск асинхронного двигателя, его необходимо подключить к сети трёхфазного тока. Схема асинхронного двигателя собирается двумя способами. На рисунке показана схема соединения выводов двигателя, в которой статорные обмотки собраны способом «звезда».
На этом рисунке изображён другой способ соединения, именуемый «треугольник». Собираются схемы в клеммной коробке, закреплённой на корпусе.
Следует знать, что начала каждой из трёх катушек, их ещё называют обмотками фаз, именуются С1, С2, С3 соответственно. Аналогично подписываются концы, которые имеют названия С4, С5, С6. Если в клеммной коробке нет маркировки выводов, то начала и концы придётся определить самостоятельно.
Как сделать реверс
При возникновении потребности осуществить пуск асинхронного двигателя, изменив направление вращения якоря, надо просто поменять местами два провода подключаемого источника трехфазного напряжения.
Однофазный асинхронных двигателей
В быту проблематично использовать трёхфазные двигатели из-за отсутствия требуемого источника напряжения. Поэтому существует однофазный асинхронный двигатель. Он также имеет статор, но с существенным конструкционным отличием. Оно заключается в количестве и способе расположения обмоток. Это определяет и схему запуска машины.
Если однофазный асинхронный двигатель имеет статор с двумя обмотками, то расположены они будут со смещением по окружности под углом в 90˚. Катушки называются пусковой и рабочей. Соединяются они параллельно, но, чтобы создать условия для появления вращающееся магнитного поля, дополнительно вводится активное сопротивление или конденсатор. Это создаёт сдвиг фаз токов обмоток, близкий к 90˚, благодаря чему создаётся условие для образования вращающегося магнитного поля.
Если статор имеет только одну катушку, то подключённый к ней однофазный источник питания будет причиной пульсирующего магнитного поля. В замкнутой накоротко обмотке ротора появится переменный ток. Он станет причиной возникновения своего магнитного потока. Результирующая двух образовавшихся сил будет равна нулю. Поэтому для запуска двигателя, имеющего такую конструкцию, требуется дополнительный толчок. Создать его можно, подключив конденсаторную схему пуска.
Подключить двигатель к однофазной цепи
Изготовленный для работы от трёхфазного источника питания электромотор может работать и от домашней однофазной сети, но при этом существенно снизятся его характеристики, такие как КПД, коэффициент мощности. Кроме того, снизятся мощность и пусковые показатели.
Если же без подключения не обойтись, то требуется из трёх обмоток статора собрать схему, где их будет только две. Одна рабочая, а другая пусковая. Например, есть три катушки с началами С1, С2, С3 и концами С4, С5, С6 соответственно. Для создания первой (рабочей) обмотки двигателя объединяем концы С5 и С6, а их начала С3 и С2 подключаем к источнику однофазного тока, например, бытовой сети 220 вольт. Роль второй, пусковой обмотки, будет выполнять оставшаяся незадействованная катушка стартера. Она подключается к источнику питания через конденсатор, соединённый с ней последовательно.
Параметры асинхронного двигателя
При подборе таких машин, а также при дальнейшей их эксплуатации необходимо учитывать характеристики асинхронного двигателя. Они бывают энергетические - это коэффициент полезного действия, коэффициент мощности. Важно учитывать и механические показатели. Основным из них считается зависимость между скоростью вращения вала и рабочим усилием, прикладываемым к нему. Существуют ещё пусковые характеристики. Они определяют пусковой, минимальный и максимальный моменты и их соотношение. Важно также знать, каков пусковой ток асинхронного двигателя. Для наиболее эффективного использования двигателя необходимо учитывать все эти параметры.
Нельзя оставить без внимания вопрос энергосбережения. В последнее время он рассматривается не только с позиции уменьшения эксплуатационных затрат. Экономичность электродвигателей снижает уровень экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.
Перед производителями постоянно ставятся задачи разработки и выпуска энергосберегающих двигателей, повышения эксплуатационного ресурса, уменьшения шумового уровня.
Улучшить энергосберегающие показатели можно путём снижения потерь при эксплуатации. А они напрямую зависят от рабочей температуры машины. Кроме того, совершенствование этой характеристики неизбежно приведёт к увеличению срока эксплуатации двигателя.
Снизить температуру обмоток можно, применяя вентилятор наружного обдува, закреплённый на хвостовике вала ротора. Но это приводит к неизбежному повышению шума, производимого двигателем при работе. Особенно ощутим этот показатель при высокой скорости вращения ротора.
Таким образом, видно, что асинхронный двигатель имеет один существенный недостаток. Он не способен поддерживать постоянную частоту вращения вала при возрастающих нагрузках. Зато такой двигатель имеет множество преимуществ по сравнению с образцами электродвигателей других конструкций.
Во-первых, он имеет надёжную конструкцию. Работа асинхронного двигателя не вызывает никаких сложностей при его использовании.
Во-вторых, асинхронный двигатель экономичен в производстве и эксплуатации.
В-третьих, эта машина универсальна. Имеется возможность её использования в любых устройствах, которые не требуют точного поддержания частоты вращения вала якоря.
В-четвёртых, двигатель с асинхронным принципом действия востребован и в быту, получая питание только от одной фазы.
Асинхронный двигатель - принцип работы устройства, схема частотного преобразователя
Современное промышленное производство, как постоянно динамично развивающаяся система, требует применения для решения различных задач новых и инновационных технических решений. Вместе с тем, многие производства и сейчас используют в качестве двигателей станков, машин и различных механизмов старых надежных асинхронных двигателей.
Среди применяемых в производстве электронных систем и электрических машин, особое место занимает асинхронный двигатель – электрическая с электронным блоком управления машина, использующая переменный ток для преобразования электрической энергии в механическую.
Более глубокое раскрытие этого понятия основано на принципе использования магнитного поля для создания вращательного движения – статор создает магнитное поле, несколько большее по частоте, чем частота магнитного поля вращающегося ротора.
Магнитное поле заставляет вращаться ротор, при этом, его частота вращения несколько меньше, чем изменение магнитного поля статора, он как бы пытается догнать образовываемое статором поле.
Двигатели такого принципа являются наиболее распространенными видами электрических машин – это наиболее простой и экономичный тип преобразования электрической энергии переменного тока во вращательную механическую энергию.
Как и у большинства технически сложных механизмов, у таких моторов есть масса положительных сторон, главная из которых является отсутствие электрического контакта между подвижными и неподвижными частями машины.
Это достоинство асинхронников и является основным при выборе моделей двигателей в конструкторских разработках – отсутствие коллектора и щеток, контакта между статором и ротором значительно повышают надежность и удешевляют производство таких моторов.
Однако, следует заметить, что это правило справедливо только к одному из видов (хотя и наиболее распространенному виду) – двигателям с короткозамкнутым ротором.
Описание схемы
Работу асинхронного электродвигателя, предназначенного для обычной электросети переменного электрического тока можно описать следующей схемой:
- На обмотки статора двигателя подается переменный электрический ток от каждой фазы (в случае, если двигатель трехфазный, если ток однофазный, то включение остальных обмоток происходит посредством включения в схему пусковых конденсаторов, играющих роль имитации трехфазной сети).
- В результате подачи напряжения, в каждой из имеющихся обмоток создается электрическое поле с частотой напряжения, и поскольку они имеют смещение на 120 градусов относительно друг друга, то происходит смещение подачи как во времени (даже ничтожно малого), так и в пространстве (тоже достаточно небольшого).
- Получившийся в результате вращающийся магнитный поток статора своей силой создает в роторе, вернее в его проводниках, электродвижущую силу.
- Созданный в статоре магнитный поток, взаимодействуя с магнитным полем ротора, создает пусковой момент – магнитное поле которого стремится повернуться в направлении магнитного поля статора.
- Магнитное поле постепенно нарастая и превышая так называемый тормозной момент, проворачивает ротор.
Устройство
Устройство двигателя Наиболее наглядно представить конструкцию агрегата можно на примере асинхронного двигателя, имеющего короткозамкнутый ротор, второй вид электромоторов имеет несколько иную конструкцию, это вызвано тем, что они используют промышленную сеть в 380 Вольт.
Основными составными частями такой электрической машины являются статор и ротор, которые не соприкасаются между собой и имеют воздушный зазор. Такая конструкция основных частей связана с тем, что в состав обеих основных частей электромотора входят так называемые активные части – состоящие из металлического проводника обмотка возбуждения.
Для каждой части имеются своя соответственно статорная и роторная обмотки и стальной сердечник – магнитопровод. Это основные части электродвигателя, принципиально необходимые для работы машины, все остальные части – корпус, подшипники качения, вал, вентилятор – это конструктивно необходимые, но абсолютно не влияющие на принцип работы прибора.
Они во многом играют важную роль, например, подшипники качения, обеспечивают возможность плавности хода, корпус защищает от механического воздействия на основные рабочие части, вентилятор обеспечивает обдув двигателя и отвод тепла, выделяемого при работе, но на принцип преобразования электрической энергии в механическую не влияют.
Итак, основными частями асинхронного электромотора, как электрической машины являются:
- Статор – основной элемент электромотора, состоящая из трехфазной (или многофазной) обмотки. Особенностью обмотки является определенный порядок расположения витков – проводники равномерно расположены в пазах, имеющих угол 120 градусов по всей окружности.
- Ротор – второй основной элемент агрегата, представляющий собой цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами. Такая конструкция из-за своей особенности называется «беличья клетка» или короткозамкнутым типом ротора. В ней медные стержни замкнуты на концах кольцом с обеих сторон цилиндра.
Трехфазные обмотки, а конструктивно их по одной на каждую фазу, соединяются подобно обмоткам статора или «звездой» или «треугольником», и концы обмоток этих выводятся на контактные кольца, которые вращаются на валу, электрический ток на них передается через щетки из графита. Этот тип электродвигателей имеет большую мощность и применяется уже в промышленных машинах и станках.
Область применения
В виду особенности конструкции и простоты изготовления, подобные электромоторы нашли основное применение в машинах и механизмах в которых не требуется большое усилие и мощность при работе.
В основном, такие моторы устанавливаются практически на всех бытовых приборах:
- мясорубки;
- фены;
- электрические миксеры;
- бытовые вентиляторы;
- небольшие маломощные бытовые станки;
Трехфазные асинхронные моторы имеют различную мощность, от 150 Вт до нескольких киловатт, и применяются в основном в промышленности в качестве моторов для машин и механизмов.
Применение подобного типа моторов обусловлено приемлемым с точки зрения соотношения мощность/производительность, к тому же, как и их простейшие собраться такие двигатели не требуют большого внимания и кропотливого обслуживания, в особенности те типы корпуса, которые специально разработаны для работы в тяжелых условиях производства.
Виды
В виду различных конструкторских задач, стоящих перед разрабатываемыми машинами и механизмами в промышленном, серийном производстве, нашли свое применение асинхронные линейные электромоторы основных четырех видов:
Моторы для однофазной сети
С короткозамкнутым ротором.
Двигатели для двухфазной сети
С короткозамкнутым ротором.
Трехфазные асинхронные двигатели
С короткозамкнутым ротором.
Трехфазные двигатели
С фазным ротором.
Особенностью конструкции является заложенный принцип работы однофазного асинхронного двигателя – у него только одна обмотка статора рабочая. А вот для пуска используется дополнительная обмотка, ее назначение – подключение к сети посредством конденсатора. Такое подключение используется для создания начального сдвига фаз и пускового момента, проще говоря, для того, чтобы вал начал вращаться.
Второй тип электрических моторов – двухфазные двигатели, имеют две рабочие обмотки. Такое техническое решение позволяет наиболее эффективно работать от однофазной сети, используя фазосдвигающий конденсатор для получения вращающегося магнитного поля.
Трехфазные асинхронники, имеют в своем составе по одной обмотке на каждую фазу подаваемого напряжения – три рабочие обмотки с соответствующим сдвигом относительно друг друга на 120 градусов. Это позволяет при включении в трехфазную сеть, получить электрическое поле, приводящее в движение короткозамкнутый ротор.
Для четвертого трехфазного асинхронника с фазным ротором, статор устроен таким же образом – три обмотки с соединением по типу звезда.
Ротор, в отличие от беличьих колес, имеет уже полноценную обмотку с выводами на щетки. Подключение обмотки, которого производится как напрямую, так и через реостаты. Такие машины имеют наибольший пусковой момент и наибольшую развиваемую мощность.Принцип работы частотных преобразователей
Вместе со всеми положительными качествами асинхронных двигателей, существует и неприятные моменты – слишком большой пусковой ток и невозможность регулировать скорость вращения ротора.
Решить эти проблемы можно, используя частотные преобразователи.
Принцип работы такого устройства в двух словах можно описать следующим образом: с помощью электронной схемы выпрямителя, сетевое напряжение сначала сглаживается, а после, фильтруется с помощью конденсаторов.
Использование таких частотных преобразователей при пуске, позволяет избежать обратного вращения вала двигателя, и существенно сократить (до 50%) потребляемую энергию.
Асинхронный двигатель: знакомство с оборудованием
Жизнь в наше время невозможно представить без электрических двигателей. Широкое применение нашли эти агрегаты не только в промышленности, но и в быту — ведь электроприборы, которые призваны облегчить жизнь человека, в 95% случаев не обходятся без применения электродвигателей. И если даже сильно постараться, то представить себе жизнь без них вряд ли удастся.
Хотя первый опытный асинхронный двигатель был произведен Николой Тесла еще в конце 1880-х годов, в то время распространения он так и не получил ввиду слишком больших потерь электроэнергии при его работе. Да и показатели того двигателя в момент запуска были очень низкими.
Что же представляет собой асинхронный двигатель? По своей сути это устройство, преобразующее электрический ток в механическую энергию посредством магнитных полей, которые вращают ротор внутри статора. При этом частота вращения магнитных полей, которые создаются на обмотках статора, не равна тому же параметру сердечника. Именно поэтому они названы «двигатели асинхронные», т.е. «неодновременного вращения».
Что же касается видов этих агрегатов, то их различают несколько, но об этом чуть позже. Для начала имеет смысл разобрать достоинства и недостатки подобных двигателей, т.е. самого распространенного из них вида — устройства с короткозамкнутым ротором, обозначаемым как АДКЗ (асинхронный двигатель короткозамкнутого типа).
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в разбореДостоинства и недостатки
В первую очередь асинхронные электродвигатели достаточно просты в части устройства и изготовления, что не может не влиять на их стоимость, ведь в частности из-за невысокой цены этот мотор завоевал большую популярность среди покупателей. Так же важную роль играет и надежность АД, и их экономичность в области эксплуатационных затрат — они практически не требуют обслуживания. Конечно, это не говорит о том, что асинхронный электродвигатель можно установить и совсем забыть о периодических ревизиях, но все же их требуется достаточно мало, схема его достаточно неприхотлива.
Ну и конечно не стоит забывать о том, что для включения в сеть, т.е. для запуска и эксплуатации, не требуется каких-либо дополнительных устройств, таких как разнообразные преобразователи и т.п.
Но, при такой простоте и невысокой стоимости, естественно, не обошлось и без недостатков, которые нельзя назвать мелкими. Из них можно выделить следующие:
- сравнительно небольшой пусковой момент;
- значительные пусковые токи, а значит и энергозатраты при включении;
- довольно низкий коэффициент полезного действия;
- необходимую точность скорости довольно тяжело отрегулировать;
- у асинхронного двигателя, имеющего короткозамкнутый привод (при включении в трехфазную сеть 50 Гц), скорость вращения не превышает 3000 об/мин;
- большая зависимость крутящего момента от напряжения сети. К примеру, при понижении входного тока в 2 раза, скорость крутящего момента может упасть в 4 раза.
Но все вышеперечисленное относится только к моторам, имеющим строение на основе короткозамкнутого ротора, производство двигателей которыми не ограничивается. Попробуем рассмотреть более подробно асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, а также другие типы подобных агрегатов, которые представлены на прилавках магазинов электротехники.
Короткозамкнутый роторАДКЗ
Ротор асинхронного двигателя, обмотка которого короткозамкнута, так же называют и «беличьим колесом» по причине того, что она похожа на цилиндрическую сетку, прутья которой замыкаются посредством двух колец с одного и другого торца.
Структура, как ротора, так и асинхронного статора является зубчатой. В АД небольших мощностей обмотка изготавливается простейшим способом — алюминиевый сплав в расплавленном состоянии заливается в углубления на роторе. Тем же способом, одновременно, заливаются и оба кольца, замыкающие «колесо», а также торцевой синхронизатор, осуществляющий вентиляционное охлаждение агрегата, т.е. с его помощью обеспечивается нормальная рабочая температура. При необходимости изготовления более мощных двигателей вместо алюминиевого сплава используют медь.
Асинхронные двигатели переменного тока с т.н. «двойной беличьей клеткой» для модернизации пусковой характеристики в настоящее время практически ушли в прошлое. Сейчас применяется схема, при которой пазы для проводников делаются глубже, причем внутренняя часть каждого из них имеет большее сечение, нежели внешняя. В результате подобной технологии изготовления ротора увеличивается пусковой момент и уменьшается ток, за счет более сильного активного сопротивления обмотки.
Области применения АДКЗ довольно обширны. К тому же, в последние годы все больше начали применяться частотные преобразователи, при помощи которых стало возможно плавное наращивание скорости, вследствие чего достигается больший пусковой момент и снижение тока, тем самым увеличивается коэффициент полезного действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Так же очень интересна схема исполнения АДКЗ, в которой используется возможность изменения числа пар обмоток статора. Принцип работы асинхронного двигателя подразумевает, что подобным действием возможно изменение скорости его вращения.
На сегодняшний день подобные конструкции двигателей, несмотря на их недостатки, являются наиболее распространенными и востребованными. А вот остальные виды асинхронных двигателей уже более узконаправленны, и их применение не так значительно.
Фазный роторМассивный ротор в АД
Короткозамкнутый двигатель, принцип работы которого заключается в отсутствии обмотки как таковой. Ротор здесь состоит целиком из стали и одновременно является и проводником, и магнитопроводом. Вихревые токи, инициирующиеся вращающимся магнитным полем, взаимодействуют с потоками, создаваемыми статором, посредством чего и создается крутящий момент. Попробуем разобрать, какие же плюсы и минусы имеются у этих асинхронных двигателей.
Из преимуществ можно отметить низкую стоимость и простоту изготовления, довольно высокую механическую прочность (что очень важно для агрегатов с высокими скоростями вращения), а также наличие высокого пускового момента. Но при этом есть очень существенный недостаток —довольно большие энергопотери ротора при работе.
Интересны также и некоторые особенности, которые имеют подобные асинхронные двигатели, — это пологая механическая характеристика и сильный нагрев агрегата, независимо от нагрузки, что является довольно существенным минусом по причине резкого падения коэффициента полезного действия. Получается, что основная энергия тратится на нагрев, т.е. выработку тепла.
Конечно, разрабатываются и улучшения для подобных типов двигателей, такие как омеднение роторов или добавление с торцов колец из меди, но помогает подобная модернизация незначительно.
Также сюда можно отнести и пустотелые стальные роторы, которые изготавливаются для работы с меньшим нагревом.
Фазный ротор в асинхронном двигателе
Действия магнитных полей в статореПодобное устройство асинхронного электродвигателя является более сложным, т.к. их роторы имеют трехфазную обмотку, которая соединяется в «звезду». Подобные двигатели обладают возможностью плавной регулировки скорости, причем диапазон вращения достаточно широк. Внешняя цепь соединяется с вращающимся валом посредством специальных щеток, которые могут быть графитовыми или медно-графитовыми. Обмотка ротора выполняется из меди.
Подобный асинхронный электродвигатель подходит для использования с инверторами, реостатами для изменения скорости вращения и даже может работать в качестве синхронного двигателя при подаче на него прямого напряжения.
Возможности, которые имеют асинхронные двигатели с фазным ротором, довольно широки, но сложность при их изготовлении, а также довольно высокая стоимость не дали подобным устройствам более широкого распространения.
Двигатель Шраге-Рихтера
Этот тип является трехфазным коллекторным асинхронным двигателем, при этом питание на него поступает через ротор. Таким образом, подобные агрегаты называют также обращенными.
Асинхронный электродвигатель, у которого подобная схема, уже стал историей и практического применения на сегодняшний день не имеет.
Скорость вращения в них регулировалась специальным штурвалом, который перемещал щетки, в результате чего изменялась индуктивность. Подобная система довольно экономично изменяет скорость вращения ротора, но более подробно на таких агрегатах останавливаться не стоит.
Куда интереснее понять устройство асинхронного двигателя и принцип его работы.
Устройство и принцип действия
Как уже говорилось ранее, конструкция асинхронного двигателя достаточно проста — это ротор, или вращающаяся часть, и статор — неподвижная обмотка, внутри которой и создаются электромагнитные импульсы. Снаружи статор может иметь цельную либо сваренную оболочку из чугуна, алюминия, или его сплава, которая работает как радиатор охлаждения в процессе эксплуатации.
Асинхронный двигатель в разрезеПринцип действия АД таков: напряжение, поступая на обмотки, создает магнитное поле. И т.к. угол сдвига фаз в асинхронном двигателе составляет 120 градусов, то поле, вырабатываемое ими, является вращающимся. Оно-то и создает крутящий момент, проходя через обмотки ротора. По сути, смысл работы тот же, что и у синхронных агрегатов, но тут не требуется создания на статоре дополнительного поля в виде магнитов.
Подключение асинхронных двигателей
Разобравшись, каков же принцип действия АД, можно переходить к подключению.
Существует две разновидности подключения асинхронного двигателя к сети 380 В, хотя от этого принцип его действия не меняется. Это может быть «звезда» либо «треугольник». Сейчас имеет смысл разобрать каждый из этих видов подробнее.
Подключение «звездой» происходит следующим образом: напряжение по фазным проводам подается к началу, а каждая обмотка асинхронного двигателя концом соединена с началом следующей таким образом, что создается некое подобие треугольника.
Нулевой провод при подключении трехфазных двигателей не требуется, им вполне хватает защитного заземления корпуса.
Подключение «звездой» немного отличается от предыдущего. Здесь концы всех обмоток соединены вместе, а напряжение подается также на начало. Интересно, что при подобном подключении в месте соединения всех трех обмоток по причине разности потенциалов возникает так называемый «технический ноль». Подобное физическое явление можно наблюдать и в жилах высоковольтного провода, где ноль находится точно по центру, в то время как по проводнику течет ток высокого напряжения.
Схемы подключений в «треугольник» и «звезда»Есть ли альтернатива
Уже не секрет, что устройство трехфазного асинхронного двигателя предполагает затраты большого количества электроэнергии на вырабатывание тепла, а значит и коэффициент его полезного действия достаточно низок. Но на сегодняшний день альтернативы подобным агрегатам нет, а потому продолжается их использование, как в промышленности, так и в быту.
Конечно, с появлением инверторов, КПД их значительно возрос. Сейчас двигатели инверторного типа прекрасно работают в стиральных машинах, холодильниках и прочей технике, позволяя получить максимум результата при меньшем расходе электроэнергии.
Возможно, в будущем и появится что-то новое, что сможет заменить асинхронные двигатели, но пока это остается единственным в своем роде агрегатом, без которого различные производства невозможны. Именно этим и объясняется его востребованность и распространенность.
Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей
Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.
Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:
Схема пуска асинхронного двигателя.
Расчёт тока электродвигателя.
Реверсивное управление асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором.
Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.
В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.
Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.
Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.
А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.
Обозначается это скольжение буквой: S
А вычисляется скольжение по такой формуле: S = ( n1 — n2 )/ n1 — 100%
Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;
n2 – это частота вращения вала.
Устройство асинхронного электродвигателя.
Двигатель состоит из таких частей:
1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.
2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.
3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.
4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.
5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.
6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.
7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.
Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.
Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.
Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.
Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.
Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.
Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».
Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.
Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.
Принцип действия.
Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.
И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.
По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.
Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.
Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.
Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:
1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.
2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.
3. Очень простая схема запуска.
4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.
5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.
6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.
7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.
8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.
Недостатки:
1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.
2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.
3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.
4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ
5. Высокие показатели пусковых токов.
Достоинства двигателей с фазным ротором:
1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.
2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.
3. Небольшой пусковой ток.
4. Можно применять автоматические пусковые устройства.
Недостатки:
1. Большие габариты.
2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение
3. Нужно обслуживать щёточный механизм.
На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.
С уважением Александр!
44.Асинхронные электрические машины. Принцип действия асинхронного двигателя.
Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.
В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Достоинства:Лёгкость в изготовлении.Отсутствие механического контакта со статической частью машины.
Недостатки:Небольшой пусковой момент.Значительный пусковой ток.
Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.
Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.
По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.
Принцип действия
На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создает вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.
Наибольшее распространение среди электрических двигателей Получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком М. О. Доливо-Добровольским.
Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции Щ несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока асинхронный двигатель состоит из двух основных частей; статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором — ее вращающаяся часть. Асинхронная машина обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели, как это было отмечено выше, получили очень широкое распространение.
Поэтому мы будем рассматривать работу асинхронной машины в режиме двигателя, т. е. процесс преобразования электрической энергии в энергию механическую.
Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого в минуту
Если ротор вращается со скоростью п2, равной скорости вращения магнитного поля (n2=n1), то такая скорость называется синхронной.
Если ротор вращается со скоростью, не равной скорости вращения магнитного поля { n2n1), то такая скорость называется асинхронной.
В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной скорости, т. е. при скорости вращения ротора, не равной скорости вращения магнитного поля.
Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости юля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n2
5.2. Устройство асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.
По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.5.2). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.
Рис.5.2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором:
1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов;
5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкну-
той обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы
Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса // и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.
В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция Сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам. Конструкция короткозамкнутого ротора приведена на рис.5.3.
Рис.5.3. Конструкция короткозамкнутого ротора: а — беличья клетка; б — ротор с медной стержневой обмоткой; в — ротор с алюминиевой литой обмоткой;
1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — замыкающие кольца;
4 — лопасти вентилятора
Обмотка статора асинхронного электродвигателя может быть соединена звездой или треугольником. Схемы соединения представлены на рис.5.4
Рис.5.4. Схемы соединения выводов трехфазных обмоток электродвигателя:
а — звезда; б — треугольник
5.3. Принцип образования вращающегося магнитного поля
Принцип образования вращающегося магнитного поля рассмотрим на примере простейшей трехфазной двухполюсной обмотки, каждая фаза которой состоит из одной секции, фазы обмотки соединены звездой (рис.5.5). При этом секции тока в фазных обмотках (по времени) относительно друг друга на электрический угол 120° (рис.5.5, б). Проведем ряд построений вектора МДС трехфазной обмотки Fm, соответствующих различным моментам времениt0, t1, t2,t3отмеченным на графике рис.5.5, б.
В момент времени t0ток в фазе А равен 0, в фазе В ток имеет отрицательное, а в фазе С — положительное направления. Эти направления тока отмечаем на рис.5.5, б в сечениях обмоток статора для данного момента времени. При этом следует помнить, что за положительное направление тока
Рис.5.5. Получение вращающегося магнитного поля: а — трехфазная обмотка статора;
б — вращение МДС; в — модель магнитного поля статора;
1-4 — обмотка фазы А; 3-6 — обмотка фазы В;
5—2 — обмотка фазы С (первая цифра — начало обмотки)
в фазной обмотке принимается направление тока от начала обмотки к ее концу и обозначается х, а, следовательно, отрицательное направление тока в обмотке соответствует направлению тока от конца к началу и обозначается •. Затем в соответствии с указанными на рис. 5, б направлениями токов определяем (по правилу буравчика) направление вектора МДС трехфазной обмотки статора (вектор Fmнаправлен вниз).
В момент времени t1т.е. через (1/3) Т, ток в фазе В равен нулю, в фазе А имеет положительное, а в фазе С — отрицательное направление. Сделав построения, аналогичные моменту времени t0, заметим, что вектор МДС обмотки статора Fmпо сравнению с его положением в момент времени t0повернулся на 120° в направлении движения часовой стрелки.
Проведя аналогичные построения вектора МДС обмотки статора для момента t2и t3, видим, что каждый раз при переходе от одного момента времени к другому вектор Fmповорачивается на 120°, а за один период изменения токов в обмотках (с t0до t3) делает полный оборот (360°) и будет, таким образом, вращающимся. Вращающаяся МДС создает вращающееся магнитное поле, эквивалентное полю магнита N — S с индукцией Во (рис.5, в). Это поле вращается с синхронной частотойn0которая пропорциональна частоте переменного токаfи обратно пропорциональна числу пар полюсов обмоток статора р, т.е.
,
Зависимость n0 от р и f представлена в табл.5.2.
Таблица 5.2
| f = 50 Гц | Р | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| n0, об/мин | 3000 | 1500 | 1000 | 750 | 600 | 500 | |
| р=1 | f. ГЦ | 50 | 100 | 200 | 400 | 500 | 1000 |
Круговое вращающееся магнитное поле характеризуется тем, что пространственный вектор магнитной индукции этого поля Во вращается равномерно (n0= const).
При необходимости изменить направление вращения магнитного поля статора нужно поменять порядок следования токов в фазных обмотках статора, для чего переключают фазы на зажимах двигателя (рис.5.6).
Рис.5.6. Изменение направления вращения магнитного поля.
Асинхронный двигатель. Принцип работы. Виды асинхронного двигателя
Одним из самых распространённых электродвигателей, который используется в большинстве устройств электропривода, является асинхронный двигатель. Этот двигатель называют асинхронным (не-синхронный) по той причине, что его ротор вращается с меньшей скоростью, чем у синхронного двигателя, относительно скорости вращения вектора магнитного поля.
Необходимо объяснить, что такое синхронная скорость.
Синхронная скорость – это такая скорость, с которой вращается магнитное поле в роторной машине, если быть точным, то это угловая скорость вращения вектора магнитного поля. Скорость вращения поля зависит от частоты протекающего тока и количества полюсов машины.
Асинхронный двигатель всегда работает на скорости меньшей, чем скорость синхронного вращения, потому как магнитное поле, которое образовано обмотками статора, будет генерировать встречный магнитный поток в роторе. Взаимодействие этого сгенерированного встречного магнитного потока с магнитным потоком статора сделает так, что ротор начнёт вращаться. Так как магнитный поток в роторе будет отставать, то ротор никогда не сможет самостоятельно достигнуть синхронной скорости, то есть такой же с какой вращается вектор магнитного поля статора.
Существует два основных типа асинхронного двигателя, которые определяются по типу подводимого питания. Это:
- однофазный асинхронный двигатель;
- трёхфазный асинхронный двигатель.
Следует заметить, что однофазный асинхронный двигатель не способен самостоятельно начинать движение (вращение). Для того, чтобы он начал вращаться, необходимо создать некоторое смещение из положения равновесия. Это достигается различными способами, с помощью дополнительных обмоток, конденсаторов, переключений в момент пуска. В отличие от однофазного асинхронного двигателя, трёхфазный двигатель способен начинать самостоятельное движение (вращение) без внесения каких-либо изменений в конструкцию или условия пуска.
От двигателей постоянного тока (DC) асинхронные двигатели переменного тока (AC) конструктивно отличаются тем, что питание подаётся на статор, в отличие от двигателя постоянного тока, в котором через щёточный механизм подаётся питание на якорь (ротор).
Принцип работы асинхронного двигателя
Подавая напряжение только на обмотку статора, асинхронный двигатель начинает работать. Интересно знать, как это работает, почему так происходит? Это очень просто, если понять, как происходит процесс индукции, когда в роторе индуцируется магнитное поле. Например, в машинах постоянного тока, приходится отдельно создавать магнитное поле в якоре (роторе) не через индукцию, а посредством щёток.
Когда мы подаём напряжение на обмотки статора, в них начинает протекать электрический ток, который создаёт магнитное поле вокруг обмоток. Далее, от многих обмоток, которые расположены на магнитопроводе статора формируется общее магнитное поле статора. Это магнитное поле характеризуется магнитным потоком, величина которого изменяется во времени, кроме этого направление магнитного потока меняется в пространстве, а точнее оно вращается. В итоге получается, что вектор магнитного потока статора вращается как раскрученная праща с камнем.
В полном соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в роторе, который имеет короткозамкнутую обмотку (короткозамкнутый ротор). В этой роторной обмотке будет протекать наведённый электрический ток, так как цепь замкнута, и она находится в режиме короткого замыкания. Этот ток точно также как и питающий ток в статоре будет создавать магнитное поле. Ротор двигателя становится магнитом внутри статора, который имеет магнитное вращающееся поле. Оба магнитных поля от статора и ротора начнут взаимодействовать, подчиняясь законам физики.
Так как статор неподвижен и его магнитное поле вращается в пространстве, а в роторе индуцируется ток, что фактически делает из него постоянный магнит, подвижный ротор начинает вращаться потому, как магнитное поле статора начинает его толкать, увлекая за собой. Ротор как бы сцепляется с магнитным полем статора. Можно сказать, что ротор стремится вращаться синхронно с магнитным полем статора, но для него это недостижимо, так как в момент синхронизации магнитные поля компенсируют друг друга, что приводит к асинхронной работе. Другими словами при работе асинхронного двигателя ротор скользит в магнитном поле статора.
Скольжение может быть как с запаздыванием, так и с опережением. Если происходит запаздывание, то имеем двигательный режим работы, когда электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, если скольжение происходит с опережением ротора, то имеем генераторный режим работы, когда механическая энергия преобразуется в электрическую.
Создаваемый крутящий момент на роторе зависит от частоты переменного тока питания статора, а также от величины напряжения питания. Изменяя частоту тока и величину напряжения можно влиять на крутящий момент ротора и тем самым управлять работой асинхронного двигателя. Это справедливо как для однофазных, так и трёхфазных асинхронных двигателей.
Виды асинхронного двигателя
Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:
- С раздельными обмотками (Split-phase motor);
- С пусковым конденсатором (Capacitor start motor);
- С пусковым конденсатором и рабочим конденсатором (Capacitor start capacitor run induction motor);
- Со смещённым полюсом (Shaded-pole motor).
Трёхфазный асинхронный двигатель делится на следующие виды:
- С короткозамкнутым ротором в виде беличьей клетки (Squirrel cage induction motor);
- С контактными кольцами, фазным ротором (Slip ring induction motor);
Как было упомянуто выше, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно начинать движение (вращение). Что следует понимать под самостоятельностью? Это когда машина начинает работать автоматически без какого-либо влияния из внешней среды. Когда мы включаем бытовой электроприбор, например вентилятор, то он начинает работать сразу же, от нажатия клавиши. Необходимо отметить, что в быту используется однофазный асинхронный двигатель, например двигатель в вентиляторе. Как же происходит такой самостоятельный запуск, если выше сказано, что такой тип двигателей его не допускает? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе надо изучить способы пуска однофазных моторов.
Почему трёхфазный асинхронный двигатель самозапускающийся?
В трёхфазной системе каждая фаза относительно двух других имеет угол равный 120 градусов. Все три фазы, таким образом, расположены равномерно по кругу, круг имеет 360 градусов, а это три раза по 120 градусов (120+120+120=360).
Если рассмотреть три фазы, А, B, C, то можно заметить, что лишь одна из них в начальный момент времени будет иметь максимальное значение моментального значения напряжения. Вторая фаза будет увеличивать значение своего напряжения вслед за первой, а третья фаза будет следовать за второй. Таким образом, мы имеем порядок чередования фаз A-B-C по мере нарастания их значения и возможен другой порядок в порядке убывания напряжения C-B-A. Даже если записать чередование иначе, например вместо A-B-C, написать B-C-A, то чередование останется прежним, так как цепочка чередования в любом порядке образует замкнутый круг.
Как же будет вращаться ротор асинхронного трёхфазного двигателя? Так как ротор увлекается магнитным полем статора и скользит в нем, то совершенно очевидно, что ротор будет двигаться в направлении вектора магнитного поля статора. В какую сторону будет вращаться магнитное поле статора? Так как обмотка статора трёхфазная и все три обмотки расположены равномерно на статоре, то образованное поле будет вращаться в направлении чередования фаз обмоток. Отсюда делаем вывод. Направление вращения ротора зависит от порядка чередования фаз обмоток статора. Изменив порядок чередования, фаз мы получим вращение двигателя в противоположную сторону. На практике, для изменения вращения двигателя достаточно поменять на местами две любые питающие фазы статора.
Почему однофазный асинхронный двигатель не начинает вращаться самостоятельно?
По той причине, что он питается от одной фазы. Магнитное поле однофазного двигателя является пульсирующим, а не вращающимся. Основная задача запуска заключается в создании из пульсирующего поля вращающегося. Эта проблема решается с помощью создания смещения фазы в другой обмотке статора с помощью конденсаторов, индуктивностей и пространственного расположения обмоток в конструкции двигателя.
Необходимо отметить, что однофазные асинхронные двигатели эффективны в использовании при наличии постоянной механической нагрузки. Если нагрузка меньше и двигатель работает, не достигая своей максимальной нагрузки, то его эффективность значительно снижается. Это является недостатком однофазного асинхронного двигателя и поэтому, в отличии от трёхфазных машин, их применяют там, где механическая нагрузка постоянна.
Дата: 25.01.2016
© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)
