Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Устройство фазного ротора

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, видыРазрез асинхронного двигателя с фазным ротором. Рисунок 4 1 — вал двигателя, 2 — ротор, 3 — обмотка ротора, 4 — статор, 5 — обмотка статора, 6 — корпус, 7 — подшипниковые крышки, 8 — вентилятор, 9 — контактные кольца

Фазный ротор характерен наличием трех фазных обмоток. Они, зачастую, соединяются по схеме звезды (иногда по схеме треугольника). Каждый конец фазной обмотки присоединен к медному кольцу. Кольца же укрепляются на валу и изолируются. Это дало двигателю еще одно название: асинхронный электродвигатель с контактными кольцами. Всего кольца три. Их плотно насаживают на вал с помощью изоляционных прокладок. На кольца наложены щетки (они расположены в щеткодержателе, в свою очередь укрепленных на крышке подшипника).

Щетки всегда имеют исправный электроконтакт с кольцами. Это соединяет их с самой обмотками якоря. Между собой щетки соединяет трехфазный реостат.

Принцип работы асинхронной машины

Все асинхронные двигатели работают по принципу вращающегося магнитного поля. Но как создать такое поле? Самый простой способ – вращать постоянный магнит по оси. Можно взять медный диск и крутить магнит уже вокруг него. Если магнит достаточно силен, то медный диск тоже начнет вращаться, как бы пытаясь угнаться за магнитом. Будет создаваться ощущение, что между двумя предметами есть некая связь которая постоянно их удерживает. Движение магнита и диска будет не синхронным, ведь последний всегда будет отставать в «погоне».

Объяснение этому явлению можно дать такое: вращаясь вокруг диска, магнит способен возбудить в нем токи Фуко (индукционные). Их траектория – замкнутый круг. Индукционные токи не имеют начала и конца. Их можно назвать токами короткого замыкания, разогревающими металл. Как правило, от них нужно избавляться, но в этом случае именно они и являются причиной появления магнитного поля в диске. Далее это поле начинает взаимодействие уже с полем самого постоянного магнита. 

Асинхронные электромоторы работают по такому же принципу, но вращающееся поле создает не магнит, а обмотка статора. В ней, собственно, и создается подходящее для вращения поле. 

Подобные условия возможно создать только в системе с несколькими фазами, где ток сдвигается на несколько градусов. В бытовых электроприборах двигатели обычно с двумя фазами, причем вторую создают искусственно. Для этого используют сдвигающий конденсатор, катушку или сопротивление. Электродвигатели, используемые на промышленных предприятиях, выпускают с тремя фазами.

В самом первом трехфазном асинхронном электродвигателе было три обмотки. Они были удалены друг от друга на 120 градусов. Схема работы такого двигателя и синусоидальный ток трех его полюсов показан на рисунке 4. 

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, видыРисунок 4

Итак, в тот момент, когда в одной из фаз ток нулевой, в остальных он принимает максимальные значения, при этом фазы отличаются по направлению тока. Таким образом и создается магнитное поле между двумя из трех обмоток. Далее все тут же меняется: один полюс отключается, а другой, тот что остался работать, начинает менять полярность. Это происходит из-за изменения направления тока в обмотке. А тот полюс, что только перешел в рабочее состояние, поддержит смещение поля. Благодаря этому в якоре машины формируются вихревые токи (так как линии магнитного поля пересекают часть ротора). Токи входят во взаимодействие с полем статора, которое уже вращается, пытаются его как бы догнать. Происходит поворот ротора.

Такой принцип работы асинхронной машины, который был выведен еще в XIX веке, актуален и для тех электромоторов, что производят сегодня. Однако, изменения в конструкции все же произошли. Дисковые и цилиндровые якори теперь заменили на «беличьи клетки», чаще используют роторы фазного типа. Форма обмотки статичной части двигателя тоже подверглась изменениям. Вместо катушки с полюсным наконечником используют радиальные обмотки: их укладывают в пазы.

Стоит также упомянуть о том, что такое схема замещения асинхронного двигателя. Ее часто используют в электротехнике во время проведения расчетов. Вместо самого электродвигателя подставляют эквивалентную схему, где электромагнитную связь замещает электрическая.

Как подключить электродвигатель к сети

Питающее напряжение у разных потребителей разное, из-за этого время от времени электрическое оборудование приходится переподключать. Предложенная ниже инструкция поможет безопасно подключить электродвигатель на 220 В. 

Задача достаточно проста. Главное в этом деле – не ошибиться при подключении обмоток. Классификация двигателей включает в себя два типа:

  • трехфазного с обмоткой (схема включения звезда или треугольник);
  • однофазного (у него пусковая обмотка). 

Их способы подключения мы и рассмотрим.

Система трехфазного тока

Техническое значение имеет применение системы трехфазного переменного тока в качестве системы трехфазного тока, основ­ной особенностью которой является то, что сумма всех напряжений и токов всегда равна нулю.

Электрические цепи называются фазами т. Совокупность электрических цепей, в кото­рых напряжения одной частоты оказывают воздействие и имеют фазовый, сдвиг назы­ваются многофазными системами. Много­фазная система состоит из ветвей обмотки. В многофазной системе может быть п = 3 симметричных систем (рис. «Симметричные системы» ). Во всех сим­метричных системах — за исключением ну­левой системы — сумма всех векторов равна нулю. При количестве фаз т получаем п симметричных систем в зависимости от угла сдвига фаз а:

а = 2π n/m

Задача обмоток — создание вращающегося поля. Асинхронные двигатели имеют такую же конструкцию статора. В воздушном за­зоре должно создаваться магнитное поле с постоянной амплитудой, вращающееся с по­стоянной угловой скоростью. Чтобы создать это поле, временные положения фаз токов должны совпадать с пространственными по­ложениями соответствующих ветвей. У про­стой симметричной системы (п = 1) с т = 3 три ветви (обозначаемые как U, V и W) и, следовательно, обмотки должны быть равно­мерно распределены по окружности. На рис. «Обмотка двухполюсного двигателя с одной парой полюсов на каждую ветвь»  показано расположение обмотки с тремя ветвями, с одной катушкой на каждую пару полюсов и ветвь. Схемы соединений фаз регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Популярные статьи  Что такое реле контроля фаз и как оно работает?

Создание вращающегося поля

Чтобы создать вращающееся поле в случае с простой симметричной системой (п = 1) с ко­личеством ветвей т = 3, ветви должны быть геометрически смещены на электрически эф­фективный угол:

аеI = 360°·1/3  = 120°.

При одной катушке на каждую пару полюсов и ветвь создаваемое магнитное поле враща­ется против часовой стрелки, при этом «ин­дикаторная полоска», смещающаяся вправо на рисунке а, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» (при а = 90°), показывает ток фазы в каждой из ветвей на рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» в на­правлении магнитного потока. Расположение образует пару полюсов. Соответствующие магнитные потоки проходят вертикально к плоскости ветвей обмотки (рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»).

Поток ФRes (рис. с, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»), получаемый из трех ветвей, а также его направление достигаются геометрическим сложением трех отдельных потоков ФU, ФV И ФW.

Продвижение индикаторной полоски на угол а = 180° приводит к реверсированию на­правления тока в ветви W и, следовательно, к дальнейшему повороту созданного поля ФRes вправо (рис. «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь 2»).

При использовании двух катушек на одну ветвь расположение проводников «удваива­ется». Если обмотка должна образовывать две пары полюсов (р = 2), то обмотки необ­ходимо делить на группы (рис. «Обмотка с двумя парами полюсов на каждую ветвь» ). При этом устанавливается механически эффективный угол:

am = 360° · (1/mp) = 60°.

Электрически эффективный угол остается без изменения. В случае как двухполюсного, так и четырехполюсного расположения поле вращается против часовой стрелки (рис. «Создание вращающегося поля с двумя катушками на ветвь» ). Чаcтоту вращения поля:

nd = fn/p

можно вычислить на основании частоты в линии fn и количества пар полюсов р. При р = 1 частота вращения поля равна частоте в линии (табл. «Частота вращающихся полей» ).

Вместе с количеством пар полюсов можно вычислить межполюсное расстояние:

τp = dsi /2π

как долю окружности статора, где dsi — вну­тренний диаметр статора. Он соответствует длине синусоидальной полуволны, которая соответствует распределению индукции поля ротора. В случае с двухполюсным двигате­лем (р = 1), межполюсное расстояние всегда равно aei = 180° (электрический угол) и со­впадает с механическим углом am. Взаимо­зависимость этих двух углов показывает угол aei=p—am. Чтобы в обмотках наводилось одинаковое напряжение, ветви обмотки должны быть смещены относительно друг друга на угол aei = 120° или 2τp / 3, а структура и количество катушек должны быть одина­ковыми. На каждую ветвь приходится одна треть межполюсного расстояния.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Пример HTML-страницы

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

В данной статье рассмотрены следующие вопросы:

  1. Устройство трехфазного электродвигателя.
  2. Принцип работы трехфазного электродвигателя.
  1. Устройство электродвигателя 380 В

    Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

    Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

    Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

    станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.

обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

  • вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
  • сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
  • обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

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.

5.18.6 Поворотные трансформаторы

Так называют электрические машины переменного тока,
предназначенные для преобразования угла поворота q в напряжение,
пропорциональное некоторым функциям угла поворота ротора sinq
или cosq, а также самому углу q. Их применяют в вычислительной
технике для выполнения различных математических операций. С помощью поворотных
трансформаторов решают геометрические задачи, связанные с построением треугольников,
преобразованием координат, разложением и построением векторов. В системах автоматического
регулирования поворотные трансформаторы используют в качестве измерителей расстояния,
фиксирующих отклонение системы от некоторого определенного положения.

Популярные статьи  Что такое элемент пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение

Конструктивно поворотный трансформатор представляет
собой асинхронную машину малой мощности. На статоре ее перпендикулярно размещены
две обмотки: C1-C2 и С34.
Первая получила название главной, а вторая — квадратурной. Обмотки статора выполняются
одинаковыми, т.е. с одинаковым числом витков. На роторе может быть одна обмотка,
но чаще их бывает две. На рис. 5.18.6.1. приведены схемы включения синусного,
косинусного и синусно-косинусного поворотных трансформаторов.

Подключение

Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.

//www.youtube.com/embed/hu9TaxRe2UE?feature=player_detailpage

Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.

Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет.

Формула, из которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.

QC = Uс I2 = U2 I2 / sin2

Схема: Подключение асинхронного двигателя

Устройство однофазного двигателя

По сути, имеет 2 фазы, однако, работу осуществляет лишь один из них, по этой причине двигатель именуют однофазным. Как и все без исключения электромашины, однофазный двигатель складывается из 2 элементов: неподвижной (статор) и мобильной (ротор). Предполагает собой асинхронный электромотор, неподвижной частью которого является одна основная работающая обмотка, подключаемая к источнику переменного тока. К мощным граням двигателя этого вида можно причислить несложность системы, представляющую собой ротор с замкнутой обмоткой. К минусам — низкие значения отправного момента и КПД.

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, видыГлавный недостаток однофазного тока — невозможность генерации им магнитного поля, исполняющего вращение. По этой причине однофазный электромотор не запустится сам при подсоединении к сети.

В теории электромашин функционирует принцип: чтобы появилось магнитное поле, крутящее ротор, в статоре должно быть 2 обмотки (фазы). Необходимо, кроме того, смещение одной обмотки на определённый ракурс относительно другой.

В период работы совершается обтекание обмоток неустойчивыми электрическими полями:

  1. В неподвижном месте однофазного двигателя находится так именуемая отправная электрообмотка. Она смещена на 90 градусов по отношению к основной рабочей.
  2. Сдвиг токов можно приобрести, включив в цепь фазосдвигающий элемент. Для этого могут применяться активные резисторы, катушки индукции и конденсаторы.
  3. В качестве основы для статоров и роторов применяется электротехническая сталь — 2212.

Неверно называть монофазными такие электродвигатели, которые по собственному строению считаются 2- и 3-фазными, однако, подсоединяются к однофазному источнику посредством методик согласования (конденсаторные электромоторы). Эти две фазы таких приборов считаются рабочими и включены все время.

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.

5.9. ПОТЕРИ И КПД АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В обмотку статора из сети поступает мощность P1. Часть этой мощности идет на потери в стали
Pсl, а также потери в обмотке статора Рэ1:

Оставшаяся мощность посредством магнитного потока передается на ротор и называется электромагнитной мощностью:

Часть электромагнитной мощности затрачивается на покрытие электрических потерь в обмотке ротора:

Оставшаяся мощность преобразуется в механическую, получившую название полной механической мощности:

Р2‘=Рэмэ2

Воспользовавшись ранее полученной формулой

запишем выражение полной механической мощности:

тогда

или

Рэ2=SРэм,

т.е. мощность электрических потерь пропорциональна скольжению.

Мощность на валу двигателя P2 меньше полной механической мощности Р2’ на величину
механических Рмех и добавочных Рдоб потерь:

Р22’-(Рмех.доб.).

Таким образом:

Р21-SP,

где

SP=Pсlэ1э2мех.доб.

Коэффициент полезного действия
есть отношение мощности на валу P2 к потребляемой мощности P1:

Популярные статьи  Что такое ток короткого замыкания?

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Независимо от типа электрической машины (синхронная или асинхронная, коллекторная или бесколлекторная) все они обладают следующими техническими характеристиками:

  • количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
  • мощность электрическая и на валу;
  • схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
  • класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

Виды мощности:

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

Устройство асинхронного электродвигателя

В его конструкцию входят следующие элементы:

  • Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
  • Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
  • Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

  1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
  2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
  3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
  4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
  5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
  6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

  • Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
  • Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
  • Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
  • Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: