Почему двигатель асинхронный - AUTOEXPERTUSA.RU

Почему двигатель асинхронный

Что такое асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель (определение) – это вид машин, используемый для превращения электроэнергии в механическую силу. А слово “асинхрон” указывает на то, что действия происходят не одновременно. При этом предполагается, что у подобных моторов скорость хода электромагнитного поля статора изначально выше, чем у ротора. Работает машина от сети с переменным током.

Как устроен асинхронный двигатель

Первая главная деталь в электромоторе называется статором, вторая – ротором. Статор сделан в форме цилиндра из крепкого листа нержавеющей стали. Внутри сердечника статора установлены обмотки из специальных проводов. Оси проводов укладываются под углом в 120°. Для работы на разных электросетях концы кабелей скрепляются в виде треугольника или звезды.

Роторы в асинхронном двигателе подразделяются на 2 типа:

  1. Короткозамкнутый. Он является сердечником, в который заливается раскаленный металл. После этого в нем появляются железные стержни, замыкающиеся маленькими торцевыми колечками. Подобная схема конструкции именуется “беличьей клеткой”. В устройствах с высокой мощностью алюминий заменяется на медь.
  2. С фазами. Мотор имеет толстую трехфазную обмотку, которая почти не отличается от обмотки статора. В основном концы проводов скрепляются в форме звезды, а затем дополнительно закрепляются колечками. Используя щетку, которая подсоединена к обручам, к цепи можно подключить дополнительный резистор. Последний необходим для того, чтобы человек мог контролировать переменное сопротивление в фазе ротора.

Принцип работы устройства

Если начать подавать электрический ток на кабели статора, то двигатель начнет работать. Внутри машины начинается индукция, то есть в двигателе индуцируется мощное электромагнитное поле. Например, в технике с постоянным электрическим током необходимо создавать электромагнитное поле в якоре с помощью щеток.

По закону Фарадея, в устройстве, которое обладает короткозамкнутой обмоткой, проходит наведенный электроток, потому что цепочка замыкается по методу короткого замыкания. Данный ток, как и напряжение в статоре, приводит к появлению магнитного поля. Ротор устройства становится магнитом в статоре, обладающим вращающимся электромагнитным полем.

Статор не двигается, и поле перемещается внутри машины с нормальной скоростью, а в роторе индуцируется электроток, что делает из него мощный магнит. Благодаря этому подвижный ротор начинает двигаться благодаря полю статора. Почему происходит асинхронное вращение, можно понять, зная, что в момент объединения магнитные поля пытаются компенсировать недостатки друг друга.

Процесс скольжения может проходить не только с небольшим опозданием, но и с опережением. В первом случае мотор превращает электроэнергию в механическую (например, станок начинает двигаться). А во втором происходит генераторная работа, то есть движение деталей устройства вырабатывает электричество.

Созданный момент кручения полностью зависит от мощности постоянного напряжения для подпитки статора. Постоянно меняя частоту электрического тока и силу напряжения, человек может контролировать момент вращения, что и позволяет влиять на режим работы двигателя. Данная идея работает как на простых однофазных моторах, так и на трехфазных двигателях.

Виды асинхронных двигателей

С короткозамкнутым ротором

Есть 2 типа АДКР (двигателей с коротким замкнутым ротором):

  • с ротором в виде клеток для белок;
  • со специальными ободками.

С фазным ротором

Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:

  • с нескрепленными проводами;
  • с запускающей деталью;
  • с запускающим и функционирующим конденсаторами;
  • с измененным расположением полюса.

Назначение и сфера применения АД

Электродвигатели, которые называются асинхронными, применяются почти во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они тратят около 70% электричества, которое предназначено для превращения мощности тока в поступательное движение. Работа асинхронного двигателя считается наиболее эффективной в качестве электрической тяги. Без подобных машин не обходится большинство предприятий.

У данных устройств есть несколько положительных сторон:

  1. Простая и недорогая конструкция, поэтому производство машин не отнимает много времени и средств.
  2. Низкие расходы по эксплуатации обеспечены отказом от скользящего узелка токосъема, что и повышает надежность мотора.
  3. Доступность. Они продаются почти во всех магазинах по невысокой цене.

Данный вид машин бывает трехфазным или однофазным в зависимости от числа питающих частей. Если соблюдать правила техники безопасности и настроить электросеть, то трехфазный мотор может работать на однофазной сети.

Асинхронные устройства используются не только на производстве, но и в быту. Однофазные двигатели устанавливаются в вентиляторы, стиральные машины, насосы для воды и небольшие электрические инструменты.

Схемы подключения

Провода трехфазного двигателя подключаются либо по схеме треугольника, либо по звезде. При этом для последнего напряжение должно быть выше. Также перед установкой обмотки нужно определить момент на валу в моторе. Стоит обратить внимание на тот момент, что АДКР, подсоединенный различными методами к одной и той же цепи, требует разной мощности. Поэтому нельзя подключать двигатель, в котором предполагается использование только схемы треугольника, с принципом треугольника.

Иногда с целью снижения пускового тока люди коммутируют на этапе пуска контакты звезды в треугольник, но в таком случае падает и пусковой момент.

А для подсоединения трехфазного мотора к однофазной электросети профессионалы применяют разные фазосдвигающие детали, например конденсатор и резистор.

Рекомендуем к просмотру:

  • Вопрос: в доме нагревается провод от розетки, что делать?
  • Что нужно знать о классе точности измерительного прибора?
  • Вопрос: Автоматические выключатели на входе в…
  • Провод пв 3: технические характеристики, что…
  • Электромагнитное реле, что это такое, какой принцип…
  • Что важно знать о беспроводной зарядке простыми…

Асинхронный двигатель принцип работы

Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

  1. Корпус. Служит для скрепления всех деталей мотора. Для двигателей небольшого размера, как правило, используют цельные литые корпусы из чугуна, стальных и алюминиевых сплавов.
  2. Сердечник или магнитопроводник. Собирается из пластин, для изготовления которых применяют специальную электрическую сталь. Запрессовывается в корпус и улучшает магнитно-индукционные качества машины. Каждая пластина сердечника покрывается особым лаком, позволяющим уменьшить потери при возникновении вихревых токов. В некоторых случаях устройство асинхронного двигателя предусматривает установку корпуса-сердечника, совмещающего в себе обе функции.
  3. Обмотки. Устанавливаются в пазы сердечника. Представляет собой три катушки из меднопроволочных секций, расположенные под углом в 120˚ относительно друг друга. Называется первичной, потому что подключается к сети напрямую.

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

  1. Массивный ротор – единая схема из прочного ферромагнитного соединения. Внутри неё индуцируются токи, и она же выполняет в конструкции роль магнитопровода.
  2. Короткозамкнутый ротор (изобретён великим русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, как и весь трёхфазный ток) – система соединенных с помощью колец проводников, похожая по внешнему виду на беличье колесо. Внутри него индуцируются токи, чье электромагнитное поле вступает во взаимодействие с магнитным полем статора, в результате чего ротор приводится в движение.

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.

(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Читайте также  Почему стреляет двигатель

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

  • В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
  • Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
  • Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

  • Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
  • Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
  • Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

И выразить из нее скорость вращения ротора:

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

Двигатель асинхронный

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины — наиболее распространённые электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Содержание

Конструкция

Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; 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°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

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 электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведённую на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения(в первый момент времени) с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Скорость вращения поля статора

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц] соотношением:

,

где — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

Двигательный режим

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора начинает течь ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:

.

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

.

Очевидно, что при двигательном режиме .

Генераторный режим

Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение .

При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо за счёт остаточной индукции машины и пусковых конденсаторов, параллельно подключенных по схеме «звезда» к фазам обмотки статора .

Читайте также  Почему парит двигатель

Асинхронный генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин,синхронных компенсаторов,батарей статических конденсаторов(БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательные источники небольшой мощности и как тормозные устройства.

Режим электромагнитного тормоза

Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза, и для него справедливы неравенства .

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

  • реостатный — изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора,
  • частотный — изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь,
  • переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза;
  • импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного),
  • изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно,
  • изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны,
  • Фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления,
  • Амплитудно-фазовый способ включает в себя оба предыдущих способа.

Асинхронный электродвигатель

Англоязычный справочник называет асинхронный электродвигатель индукционным. Сразу точки встают над i. Интернет забит вопросами отличий данного типа машин, нюансы коллекторных, синхронных движков, на деле выходит просто. Единственный вид двигателей, создающий полюсы явлением индукции. Прочие конструкции применяют постоянные магниты, катушки, питаемые током… Только в индукционных (асинхронных) двигателях используются наводки, создающие движущую силу. Фактор определяет особенность – отличие скорости вращения вала от частоты поля.

Устройство асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя

Начнем простейшим распространенным вариантом: питание переменным током подается на обмотки статора. Посмотрите фото: типичный образчик статора. Вынув ротор, нельзя сказать, какому типу двигателей принадлежит сердечник, увитый медью. Получили главный вывод: статор не определяет методику формирования движущей силы. Скорее выступает опорой, относительно которой действует статор.

Видим составной сердечник, содержащий две катушки. Направление намотки создает два явных полюса. Нельзя назвать сгущения напряженности поля северным или южным, поскольку направление линий постоянно меняется (с удвоенной частотой сети 100 Гц). Сборка ведется следующим образом:

  1. Катушки мотают отдельно. Конструкторы знают, сколько витков нужно, каким проводом вести.
  2. Полученный моток надевают аккуратно на распорки магнитопровода (традиционной формы буквы Т). Для изоляции прокладывают слой винила, другого полимера.
  3. Затем концы обмоток чуть пригибают к периферии, витки плотно упираются в основание буквы Т.
  4. В нашем случае сердечник составной, внутренняя часть катушками вставлена во внешнее кольцо. Но чаще конструкция попроще.

Сердечник собирается из пластин, изолированных друг от друга при помощи лака. Идет работа асинхронного электродвигателя на 230 вольт, переменное поле наводит вихревые токи, вызывая эффект перемагничивания. Чтобы снизить потери, сердечник разбивается на пластины. Специальная сталь, легированная добавками кремния обеспечивает низкий коэффициент электропроводности.

Статор электрического двигателя

В бытовых асинхронных электродвигателях полюсов статора два. Встречаются исключения из правила. На другом снимке видим статор асинхронного двигателя напольного вентилятора с тремя скоростями. Полюсов восемь, чтобы запитать такую кучу железа, понадобился конденсатор. Сдвигает фазу напряжения на минус 90 градусов относительно тока. Становится возможным создать переменное вращающееся поле внутри статора. Данный тип асинхронных двигателей называется конденсаторным.

Первым две фазы использовать предложил Никола Тесла.

Схема выглядит следующим образом:

  1. Четыре обмотки, лежащие в вершинах креста запитываются сетью 230 вольт. Две – противолежащие – имеют один знак полюса, прочие – другой. Получается, поле вращается с половинной скоростью сети (25 Гц). Этого хватает исправной работе вентилятора.
  2. Плавный пуск асинхронного электродвигателя и работы возможны только в условиях, когда поле сглажено. Для этих целей применяются четыре обмотки, лежащие по диагоналям. Здесь напряжение сдвинуто на 90 градусов. Использованием вспомогательных катушек технические характеристики улучшаются.

Как подстраиваются обороты? Регуляторы скорости асинхронного электродвигателя коммутируют обмотку. Клавиатура управления устроена в каждый момент времени допускать нажатие одной кнопки, либо никакой. Восемь обмоток имеют пару отводов. Статором производится нужная коммутация, некоторые ветви запитываются конденсатором. Нажатие каждой кнопки включает в работу часть обмотки. Полностью статор работает на высшей скорости.

Принцип работы схемы

Примерная схема, демонстрирующая принцип работы, иллюстрируется фото. Скорость вращения задается коммутацией обмоток кнопками 1, 2, 3. Необходимость защиты от одновременного включения диктуется требованиями к нормальной работе устройства. В результате реализуется простейшими методами управление по скорости.

Сердечник магнитопровода составлен листами электротехнической стали, снижающей потерь на нагрев. Температура может достигать значительных размеров, поэтому ротор асинхронного двигателя вентилятора снабжается лопастями (см. фото). Любой вентилятор реально может только разогревать воздух, никак не наоборот.

Роторы асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя

В данном случае двигатель обеспечит долговременную работу. Поэтому ротор снабжен лопастями тангенциального вентилятора. Помогает охладить конструкцию жаркими летними ночами. Хозяин может спокойно спать, игнорируя возможность пожара. Любой хороший прибор работает аналогичным образом (себя охлаждает). В данном случае двигатель сконструирован по схеме с короткозамкнутым ротором. На валу сидит барабан, где в силумин утоплены медные жилы. Закорочены друг на друга кольцевым соединителем. Подобное техническое решение в литературе традиционно называется беличьей клеткой (колесом) в силу очевидных причин.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель является доминирующим в быту. Поля в проводниках наводятся статором, затем происходит сцепление через эфир, вал набирает обороты. Никогда не догонит частоту сети. Потому что индукционные токи обращаются в нуль, сцепление нарушается. Вал тормозит, снова подхватывается полем. Подобным образом действуют однофазные асинхронные электродвигатели, любые другие. В сущности, нет разницы, при помощи чего создается переменное поле.

Выделяют ещё одно большое семейство. Устройство асинхронного электродвигателя принципиально иное. Ротор снабжен обмотками, как коллекторный мотор. Обычно трехфазные. Это позволит навести гораздо более сильные поля, возникает крупная проблема: сложно стронуть с места вал. Огромная напряженность поля образует невероятной силы сцепление, за счет чего имеется возможность выхода оборудования из строя. Кроме того вал вообще так не раскрутится.

Вот поэтому для уменьшения силы наведенных токов (напряженности поля) в цепи всех фаз ротора врубается реостат. Активное сопротивление мешает ЭДС развить мощность на валу: некоторая доля рассеивается джоулевым теплом, формируемым активным сопротивлением. Стартовый момент асинхронного двигателя с фазным ротором достаточно велик, срыва оборотов не происходит. Понятно, что значение сопротивлений реостата для каждой конструкции свое. Определяют цифру ротор асинхронного электродвигателя, заданные характеристики, стартовая нагрузка.

Обратите внимание, что во всех случаях с асинхронными двигателями наблюдаем большие потери. Особенно хорошо видно на примере реостата. Мощность асинхронного электродвигателя напрямую тратится на рассеиваемое тепло. Главным достоинство рассматриваемого класса приборов все-таки считаются простота конструкции и обслуживания. В противном случае любые типы асинхронных электродвигателей заброшены бы были на помойку истории.

Как работает асинхронный двигатель

Статор создает вращающееся магнитное поле. Направление линий напряженности определяется правилом буравчика (правой руки). Поэтому статор пока отложим в сторону, попробуем понять, что параллельно происходит на роторе. Начнем беличьей клеткой.

Внутри статора находится поле, линии напряженности которого в первом приближении направлены к центру, где находится вал. Пересекают проводник беличьей клетки под углом близким 90 градусам. По правилу правой руки переменное поле индуцирует ЭДС, порождающую ток. В результате возникает ответ.

Любая пара проводников беличьей клетки обращается в рамку. Вокруг вращается поле статора. По правилу руки возникает ответное поле, направленное противоположно исходному:

  1. Ротор движется медленнее статора. Пусть вращение описывает часовую стрелку.
  2. В какой-то момент северный полюс начинает догонять один из проводников беличьей клетки.
  3. Ток направлен так, что круговые линии напряженности ответного магнитного поля идут навстречу полюсу.
  4. Получается, впереди по курсу полюс наталкивается на одноименный знак заряда, начинает толкать его. Позади образуется «юг», старающийся бежать вслед полю.

Простое краткое объяснение того, почему беличья клетка, в конце концов, начинает вращаться. Ротор не должен быть слишком тяжелым, сцепление полей не очень сильное. Это объясняет низкое тяговое усилие, развиваемое асинхронным двигателем на старте. Пусковой ток высок, поскольку ничто не препятствует генерации поля внутри статора. Обратите внимание: в роторе однофазного асинхронного двигателя, показанного на фото в начале статьи, проводники беличьей клетки чуть наклонены к оси барабана. Помогает создать более равномерный магнитный полюс, компенсируя недостатки (в первую очередь неравномерность) вращения поля статора.

Фазный ротор состоит из обмоток, нормаль которых направлена примерно на центр двигателя (вал). Можно каждую представить гипертрофированной ячейкой беличьей клетки. Витков много (в дрелях, к примеру, порядка 40), сила поля намного выше. За счет резкого скачка на старте потребляемая энергия стала бы слишком большой. Уровень ЭДС значителен (определен скоростью изменения магнитного потока). Цепь ротора дополняется реостатом, пытаются компенсировать недостаток. Активное сопротивление понижает ток, закономерно снижая ответное поле, генерируемое проводниками.

Фазный ротор может улучшить характеристики асинхронных электродвигателей, два-три проводника (грубо говоря) дают большее тяговое усилие. К минусам технического решения относят наличие токосъемников, щеточного аппарата. Для снижения износа в некоторых асинхронных двигателях после набора оборотов ротор закорачивается специальным механизмом. Намного продляется жизнь оборудования.

Читайте также  Почему двигатель не держит обороты

Не видим причин рассматривать подробнее фазный ротор, лучшей иллюстрацией послужит усиленная беличья клетка. Представьте себе: вместо одной стало сорок штук! Количество (от 40 и вниз) регулируется сопротивлением реостата.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, “благодаря” потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.

Как работает асинхронный электродвигатель

Электродвигатели, которые работают от сети переменного тока, называют асинхронными. Такое определение они получили из-за особенностей взаимодействия магнитных полей статора и ротора, в результате которого их скорость вращения различается.

Устройство этих электрических машин проще, чем работающих на постоянном токе, поскольку их статор не имеет электрического соединения с внешними устройствами, осуществляемого посредством токосъемных колец – коллектора, за что они получили и свое второе название «бесколлекторные электродвигатели».

Пальма первенства в их изобретении принадлежит русскому инженеру М. О. Доливо-Добровольскому, создавшему первый действующий трехфазный двигатель в 1890 году. Стоит отметить, что его конструкция не претерпела коренных изменений на протяжении более ста лет.

Почему он вращается

Принцип работы электродвигателя переменного тока основан на феномене возникновения вращающегося магнитного поля, в двух или трех соленоидах, определенным образом ориентированных в пространстве.

Направление вектора электромагнитного поля определяется правилом левой руки, согласно которому четыре пальца указывают направление движения тока, а пятый (большой) – движения самого проводника под действием сил электромагнитной индукции, входящих в открытую ладонь.

Если соленоид один, то при пропускании через него переменного тока стальной сердечник совершает колебательные движения. Чтобы он смог совершить оборот на 360°, нужны минимум две катушки, расположенные перпендикулярно друг другу, из-за чего суммарный вектор силы электромагнитной индукции будет описывать окружность.

Лучший, более стабильный, результат получается при использовании трех соленоидов, расположенных под углом друг к другу в 120°. Сдвиг фазы тока в катушках соленоида может быть достигнут не только позиционированием, но и включением в цепь одного из них активной нагрузки. Например, конденсатора.

Почему он асинхронный

Магнитное поле статора наводит в сердечнике ротора электрический ток, в результате чего он обзаводится собственным. Его полюса стремятся притянуться к тем, которые его породили, но это движение никогда не завершится по двум причинам:

  1. При совпадении полюсов пропадает разница электрических потенциалов между деталями машины, из-за чего ток в роторе прекращает течь, магнитное поле исчезает, а вал затормаживается. Эта своеобразная пульсация частоты вращения более выражена в двигателях, работающих от одной или двух фаз. Поэтому три катушки предпочтительнее.
  2. Статор больше ротора на величину магнитного зазора, поэтому создаваемое им магнитное поле имеет большую угловую скорость относительно центра вала.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Оптимальным конструкторским решением расположения соленоидов является их размещение на внутренней поверхности цилиндра (трубы), внутри которого находится металлический вращающийся сердечник. Первый, поскольку он неподвижный, назвали статором электрической машины, а второй – ротором.

Постоянство расстояния между этими частями, называемого магнитным зазором, обеспечивается двумя крышками с подшипниками качения в центре. У асинхронных двигателей он не превышает трех миллиметров, поскольку при больших значениях сила электромагнитного взаимодействия между ротором и статором ослабевает настолько, что вал останавливается.

Конструкция ротора

Утверждение, что все асинхронные – это бесколлекторные электродвигатели, является допущением, в котором есть исключение. В действительности конструкция подвижной части электрической машины переменного тока бывает двух типов:

  1. Короткозамкнутый ротор.
  2. Ротор с фазными обмотками.

Короткозамкнутым называют ротор, устройство которого похоже на беличье колесо: он состоит из двух медных колец и нескольких толстых проводников, их соединяющих. Пространство между ними – сердечник – набирают из листов легированной стали, что уменьшает паразитные вихревые потоки. Во время пуска двигателя вращающееся поле статора провоцирует возникновение в нем электрического тока, а поскольку все проводники детали соединены друг с другом, возникает короткое замыкание.

Поэтому пусковой ток асинхронных двигателей в два — три раза номинального рабочего. После того как ротор тронется с места, ток расходуется на создание магнитного поля. Из-за простоты устройства мирятся и с падением напряжения, и с моментальным набором скорости, что делает нагрузочную характеристику двигателя жесткой.

Фазные обмотки на роторе устраивают для ликвидации всплеска пускового тока, что необходимо для защиты сети от перегрузки. Их три, они соединяются звездой, а свободные концы выводят на коллектор, состоящий из трех медных колец, разделенных диэлектриком и посаженных на хвостовик вала двигателя. Перед включением ротор шунтируют большим сопротивлением (реостатом), который гасит ток.

Передвигая ползунок реостата, допускают плавное возникновение тока в роторе и раскрутку вала двигателя. Асинхронность таких машин выше, поэтому у них ниже КПД. Зато появляется возможность плавной регулировки частоты вращения. Асинхронный двигатель с фазным ротором встречается очень редко из-за сложной конструкции, которая абсолютно идентична той, что имеет генератор переменного тока. Единственное его отличие – на коллекторные кольца подается постоянное напряжение, поэтому какую-то пару щеток можно замкнуть между собой.

Конструкция статора

Она двухслойная. Наружную «рубашку», которая обеспечивает механическую прочность конструкции, ранее отливали из чугуна. Сейчас все чаще используют легкие сплавы. Для эффективного отвода тепла на ней делают ребра жесткости. Внутри находится слой, набранный из листов легированной стали, которые изолированы друг от друга диэлектрическим лаком. На его внутренней поверхности устроены пазы. В них укладываются обмотки – медный проводник из нескольких витков, которые изолированы друг от друга во избежание пробоя, приводящего к снижению силы магнитного поля и аварии машины. Зазор между статором и ротором очень мал, поэтому витки скрыты в толще металла, чтобы не мешать вращению.

Однофазные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель отличается лишь количеством статорных обмоток, которых две. Они всегда включены параллельно и расположены перпендикулярно друг другу. Для обеспечения начального фазного сдвига в цепь одной из них включена активная нагрузка. Обычно бумажный конденсатор большой емкости. После набора оборотов одна из обмоток отключается. Так делается в двигателях мощностью свыше пятидесяти ватт. У маломощных машин вторая обмотка выполняется короткозамкнутой. Фазу сдвигает индуцированный противоток.

Управление скоростью вращения

Явным недостатком асинхронных двигателей является сложность управления ими. Для изменения скорости вращения используются два метода:

  1. Частотное преобразование питающего напряжения. Практически никогда не применяется, поскольку по законам электротехники любая индуктивность (обмотка, соленоид, трансформатор) спокойно переносит только повышение частоты. При ее понижении она начинает работать в режиме нагревателя.
  1. Варианты с числом, способом укладки и размещением в пазах обмоток статора. Метод основан на том, что три фазных обмотки – это один условный двухполюсной вращающийся магнит, совершающий полный оборот за период, равный частоте сети. То есть, при самой простой конструкции статорной обмотки частота вращения будет равна 3 тыс. оборотов в минуту.

Если на статоре разместить шесть обмоток, сгруппировать их по три и подключить последовательно, то получим не два, а четыре полюса. Из-за этого частота вращения снизится в два раза – до 1500 оборотов в минуту.

При устройстве девяти обмоток, подключенных по тому же принципу, скорость снизится еще в два раза, до 750 оборотов в минуту, ведь полюсов станет шесть. Дальнейшее снижение скорости не производится, поскольку связано с большими техническими трудностями.

Нередко технология производства требует, чтобы привод мог вращаться с двумя или тремя скоростями. Эта проблема решается двумя путями:

  1. Подключением дополнительных независимых обмоток. Вместе с изменением скорости меняется и крутящий момент электродвигателя, поскольку индуктивность всякий раз разная.
  1. Устройством дополнительных выводов из одной обмотки. Так называемый метод Даландера. Имеет преимущество в том, что крутящий момент сохраняется неизменным.

Двухскоростной асинхронный электродвигатель имеет статорную обмотку, каждая из катушек поделена которой на две дополнительными выводами. Для наглядности обозначим 2U, 2V и 2W. В режиме тихого хода (1500 оборотов) обмотки соединены треугольником, питающее напряжение подается на выводы 1U, 1V и 1W, а 2U, 2V и 2W остаются свободными. Если требуется набрать 3 тыс. оборотов, то производится коммутация:

  • питание подается на 2U, 2V и 2W;
  • выводы 1U, 1V и 1W соединяются между собой.

В результате схема подключения обмоток меняется с «треугольника», в каждой стороне которого две последовательных катушки, на «звезду», в каждом луче которой две параллельных катушки. Число полюсов сократилось вдвое, а суммарная индуктивность осталась той же.

Существуют и трехскоростные электродвигатели, обмотки которых имеют по три вывода, поскольку должно получиться девять обмоток.

Обычно для управления многоскоростными асинхронными двигателями устраивают силовую релейную схему. Это позволяет изменять скорость вращения за несколько секунд.

Значимость изобретения в конце XIX века трехфазного асинхронного двигателя вполне можно сравнить с появлением компьютера и даже с полетом в космос. До сих пор человечество не сумело создать ничего более эффективного, ведь КПД этого устройства близко к ста процентам.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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