Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Подписывайтесь на наши обновления:

• Двигатели Lenze
• Инкрементальные энкодеры Eltra

Трехфазный асинхронный двигатель: все самое главное, что нужно знать

В электротехнике асинхронный двигатель является вращающейся электрической машиной для переменного тока.

Асинхронный двигатель использует вращающееся магнитное поле, генерируемое в статоре, для создания крутящего момента, чтобы вызвать электрический ток в роторе (передача энергии за счет электромагнитной индукции), и поэтому он должен иметь скорость немного ниже (выше для асинхронного генератора), чем скорость вращающегося магнитного поля (так называемое скольжение).

Большая разница по сравнению с двигателями постоянного тока и синхронными двигателями заключается в том, что на ротор не подается ток, а переменный ток проходит только через обмотку статора.

Трехфазный асинхронный двигатель — самый распространенный электродвигатель в мире, потому что он простой, экономичный, не требует обслуживания, вращается без дополнительных вспомогательных средств (в варианте с короткозамкнутым ротором во время его работы не возникает искр, поэтому он подходит для взрывоопасных сред, таких как шахты, газовые приборы и т. д.).

Однофазные варианты используются для более низких мощностей. Хотя они традиционно используются для работы на постоянной скорости, в настоящее время они используются с частотными преобразователями на разных скоростях (обычно для экономии электроэнергии).

Благодаря простой конструкции, прочности и возможности неискрящей конструкции, этот тип двигателя является наиболее распространенным на практике, он используется во многих областях промышленности, транспорта и домашнего хозяйства. Мощность асинхронных двигателей колеблется от нескольких ватт до многих сотен киловатт.

Два наиболее распространенных типа асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

Первые асинхронные двигатели были построены независимо несколькими изобретателями:

• В 1887 году Никола Тесла подал патент на асинхронную машину, 5 мая следующего года — еще пять патентов.
• В то же время Галилео Феррарис опубликовал трактат о вращающихся машинах.
• В 1889 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрел первый трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронный двигатель General Electric, 25 лошадиных сил, 60 гц, 220 вольт, 70 ампер, 1911 год

Устройство

Каждый трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей.

Статор (неподвижная часть) — аналогичен для большинства типов. Он состоит из опорной рамы двигателя, подшипниковых щитов, фланца, ножек, набора пластин статора с вставленной в пазы обмотки статора.

Ротор (вращающаяся часть) — вал с запрессованными роторными (электротехническими) листами с пазами, в которые вставляются стержни обоймы ротора или проводники обмотки ротора. В пазы ротора вставляются голые медные, латунные или алюминиевые стержни, которые с обоих концов соединены короткозамыкающим кольцом.

Стержни с кольцами в виде «беличьей клетки». Клетка сваривается или отливается методом литья под давлением алюминия.

Кольцевой якорь в двигателе с фазным ротором — в пазы листов помещается обмотка ротора из изолированных проводов, которая соединяется звездой или треугольником. Обмотка ротора соединена с тремя кольцами. На кольца опираются три кольца угольных щеток, к которым может быть подключена цепь регулирующего ротора, чаще всего резисторы.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

Обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя

Принцип работы

В основе работы асинхронной машины лежит создание вращающегося магнитного поля статора, которое создается за счет прохождения переменного трехфазного тока через обмотку статора.

Это магнитное поле индуцирует напряжение в обмотке ротора, а ток, генерируемый обмоткой ротора, индуцирует магнитный поток, который передается на статор. Связанный магнитный поток вызывает силу, действующую на ротор, и, следовательно, вращение ротора.

Скорость вращающегося поля статора, то есть синхронная скорость, определяется частотой напряжения питания и числом полюсов двигателя:

f — это текущая частота и p — количество пар полюсов (т.е. p : 1 = двухполюсный, 2 = четырехполюсный, 3 = шестиполюсный, 4 = восьмиполюсный и т. д.).

Скольжение

Асинхронная машина может прикладывать крутящий момент к выходному валу только в том случае, если скорость вращения магнитного поля статора отличается от механической скорости ротора из-за так называемого скольжения.

При ненулевом скольжении магнитный поток статора, связанный с потоком ротора, движется относительно ротора, переменный (переменный) связанный магнитный поток статора и ротора протекает через ротор, в обмотке ротора индуцируется напряжение, ток ротора потоков, роторная часть связанного магнитного потока машины отлична от нуля и крутящего момента.

Частота обмотки статора определяется частотой сети. Частота магнитного потока ротора и обмотки ротора отлична от нуля, определяется скольжением и отличается от частоты обмотки статора. Скольжение указывается в процентах и ​​определяется как:

где, n_s — «синхронная» скорость магнитного поля статора, n — механическая скорость ротора.

Номинальная скорость двигателя — это скорость, включая номинальное скольжение двигателя (оба значения указаны на паспортной табличке двигателя).

При нулевом скольжении, то есть при синхронной скорости машины, связанный магнитный поток статора и ротора не перемещается относительно ротора. Напряжение в обмотке ротора не индуцируется, ток ротора не течет, и крутящий момент не создается.

Крутящий момент

Крутящий момент обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротром задается в установившемся состоянии так называемым соотношением Клосса. Устойчивое состояние возникает после исчезновения переходных процессов, вызванных быстрыми изменениями нагрузки или источника питания машины.

Где, М max — максимальный крутящий момент (не путать с номинальным) и S z — скольжение при максимальном крутящем моменте .

Максимальный крутящий момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения питания.

Пуск

При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток до 7 раз превышает значение номинального тока. Это создает большие скачки тока в сети при относительно небольшом крутящем моменте включения, поэтому прямой пуск обычно применяется только для двигателей мощностью около 3 кВт.

Уменьшение большого пускового тока асинхронного двигателя может быть достигнуто за счет уменьшения пускового напряжения статора.

Полупроводниковый регулятор напряжения (устройство плавного пуска двигателя) — это полупроводниковый регулятор напряжения двигателя с низкими потерями, при котором может быть достигнут плавный пуск двигателя.

Устройство плавного пуска не изменяет скорость двигателя, оно изменяет скольжение двигателя. Устройство плавного пуска также может использоваться для управления скоростью вентилятора и аналогичных нагрузок с квадратичной зависимостью мощности от скорости.

Двигатель каменной мельницы на золотом руднике Санрайз Дам (в Западной Австралии). Это асинхронный двигатель Alstom 11000 В — 4000 кВт, произведенный в Нанси (Франция).

Двигатели с фазным ротором

Пускатель ротора подключается к кольцам ротора с помощью щеток, обычно состоящих из трех резисторов одинакового размера, которые постепенно устраняются. В конце пуска обмотка замыкается накоротко.

Кольцевой якорь в двигателе с фазным ротром предназначен для ограничения пусковых токов статора, а также для увеличения пускового момента при пуске. Такой способ пуска двигателя не изменяет его скорость, он изменяет скольжение двигателя.

Реверс

При изменении любых двух фазных проводов на клеммах двигателя изменяется направление вращения вращающегося поля, и двигатель вращается в противоположную сторону.

Управление скоростью вращения

где, S — скольжение, f — частота питающего напряжения , p — количество пар полюсов двигателя. Следовательно, мы можем регулировать скорость, изменяя любую из этих величин.

Регулирование путем изменения напряжения питания — основано на крутизне характеристики крутящего момента в зависимости от изменения напряжения на выводах двигателя с последующим изменением скольжения для заданного крутящего момента, т.е. путем смещения рабочей точки. Это выполняется переключением обмотки статора по схеме звезда / треугольник или добавлением полного сопротивления к питанию статора, автотрансформатору и т.п.

Самый популярный способ управления скоростью вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время — изменения частоты питающей сети.

Подключив частотный преобразователь (инвертор), можно контролировать частоту и эффективное значение выходного напряжения и, следовательно, генерируемое магнитное поле статора.

Скорость синхронного двигателя соответствует выходной частоте инвертора. Выходная частота инвертора может быть ниже, равна или выше частоты сети.

Двигатель, приводимый в действие преобразователем частоты, в этом случае имеет скорость, отличную от скорости двигателя при прямом питании от сети, даже более высокой.

• Скалярное управление — постоянное — можно установить номинальную величину магнитного потока. Он в основном регулирует выходную частоту и напряжение в соотношении U/f = const. Применяется для двигателей с низкими требованиями к динамическим свойствам (насосы, вентиляторы). Скалярное управление не может использоваться для управления двигателем в диапазоне близком к нулевой скорости.
• Векторное управление — помимо величины магнитного потока, можно задать его направление и, таким образом, добиться плавного изменения скорости при любом режиме работы и нагрузки. Это лучший способ контролировать скорость. Векторное управление позволяет создавать крутящий момент даже в области нулевой скорости. Старые реализации векторного управления требовали датчика скорости, сегодня уже используются методы бессенсорной идентификации состояния машины.
• Прямое управление крутящим моментом (DTC) — это также усовершенствованный метод управления, который не обеспечивает полную динамику на низких или нулевых скоростях. Преимущество этого способа состоит в том, что алгоритм управления прост, непосредственно генерирует состояние переключения транзисторов и не требует наличия датчика скорости или идентификации состояния машины.

При заботе о надежности нашего оборудования важно учесть, какие меры можно предпринять для предотвращения повреждения обмоток трехфазных двигателей при обрыве одной из фаз. Это важный аспект, который обеспечивает бесперебойную работу нашего производства.

Мы рекомендуем ознакомиться с нашей статьей о мероприятиях, которые позволяют снизить риски и уменьшить возможность перегрева обмоток. Узнайте больше о том, как обеспечить надежность в работе электродвигателей при обрыве фазы здесь: Меры безопасности при обрыве фазы

Однофазные асинхронные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель чаще всего используется там, где нет необходимости регулировать скорость двигателя во время работы машины, например, при приводе компрессоров в холодильниках, бытовых стиральных машинах, газонокосилках и вентиляторах.

Для регулирования скорости однофазных асинхронных двигателей можно использовать частотный преобразоваетль с питанием от однофазной сети переменного тока.

В обычных бытовых приборах, таких как электрические ручные инструменты, кухонные комбайны, пылесосы, фены, по-прежнему применяются коллекторные двигатели, которые имеют более высокую скорость вращения и, следовательно, меньший объем и вес для требуемой мощности. Серийное производство более сложных и требовательных к обслуживанию коллекторных универсальных двигателей хорошо управляемо и автоматизировано.

Трехфазные асинхронные двигатели в производственном цеху

Асинхронный двигатель как генератор

Трехфазный асинхронный двигатель может использоваться без доработок в качестве электрогенератора для производства электроэнергии. Благодаря своей простоте и необслуживаемой эксплуатации, он используется в качестве генератора, особенно на малых гидроэлектростанциях.

Скорость водяной турбины (или другого источника вращающейся энергии) должна быть изменена путем преобразования в сверхсинхронную скорость используемого асинхронного двигателя, то есть скольжением выше синхронного. Эта сверхсинхронная скорость затем поддерживается внешней электрической сетью.

Подачу воды в турбину необходимо регулировать так, чтобы частота вращения синхронного двигателя не уменьшалась и, как правило, не превышалась частота вращения синхронного двигателя в 1,5 раза. Когда скорость падает, двигатель переключается с рекуперативного на двигательный режим и начинает получать активную энергию из сети. Превышение скорости может привести к перегрузке в рекуперативном режиме и механической аварии.

Работа двигателя в качестве генератора вне оптимального диапазона скоростей снизит эффективность. Предпочтительно использовать многополюсные двигатели с более низкими рабочими скоростями (например, 1500 мин -1 ).

Гидравлические турбины обычно проектируются тихоходными. Необходимо быстро вставить коробку передач между турбиной и двигателем. Однако это означает более высокие механические потери мощности в коробке передач. При более низких номинальных оборотах двигателя существует риск проблем с охлаждением и, как следствие, перегрева и сокращения срока службы.

Запуск асинхронного двигателя в качестве генератора может выполняться оператором, который сначала подключает двигатель к трехфазной сети. При подключенной турбине двигатель вращается с номинальной скоростью, близкой к синхронной.

Затем оператор открывает затвор подачи воды в турбину. Двигатель начинает разгоняться до сверхсинхронной скорости. С этого момента двигатель подает электроэнергию в сеть, и внешняя сеть также определяет его скорость.

Отключение выполняется в обратном порядке, чтобы предотвратить опрокидывание и, как следствие, повреждение двигателя (турбина без нагрузки).

Например, если асинхронный двигатель имеет номинальную скорость 1430 мин -1 , это двигатель с двумя полупарами (шесть катушек, подключенных к трехфазной сети), его синхронная скорость составляет 1500 мин -1 , а скольжение равно 70 мин −1 (s = 6,7%). Такой двигатель будет оптимально работать как генератор на скорости 1500 + 70 = 1570 мин -1 (s = -6,7%).

Для своей работы асинхронный двигатель с приводом от двигателя потребляет полную мощность [ВА] из распределительной сети, которую можно разделить на активную [Вт] и реактивную мощность [вар].

Полная, активная и реактивная мощность больше нуля (в используемой системе потребителей они имеют положительный знак). Активная мощность в двигателе преобразуется в механическую мощность на выходном валу и потери, то есть тепло. Реактивная мощность передается только между двигателем и источником (или компенсатором). Он не вырабатывает мощность и вызывает активные потери.

Асинхронный двигатель в рекуперативном режиме потребляет механическую энергию от выходного вала приводной машины (турбины). Асинхронный двигатель в рекуперативном режиме подает полную мощность [ВА] в распределительную сеть. Он обеспечивает активную мощность [Вт] и потребляет реактивную мощность [вар]. Полная и активная мощность меньше нуля (в используемой системе потребителя они имеют отрицательный знак).

Реактивная мощность больше нуля и имеет положительный знак. Для работы асинхронного генератора требуется подключение к трехфазной сети.

Асинхронный двигатель не может работать независимо как асинхронный генератор (т.е. он не работает в случае отказа внешней распределительной сети). Помимо подачи реактивной мощности, распределительная сеть определяет частоту и, следовательно, скорость вращения асинхронного генератора.

Если механический источник энергии (турбина) не имеет подходящего ограничения максимальной скорости, необходимо отключить асинхронный генератор от турбины (или отсоединить турбину от источника воды) в случае отказа распределительной сети. В противном случае машина может перевернуться, рабочая скорость может быть превышена, и она может получить механическое повреждение.

Рекуперативный асинхронный двигатель в автономном режиме может работать в особых условиях. Асинхронный генератор получает механическую энергию от выходного вала приводной машины (турбины).

В электрическом отношении асинхронный генератор работает изолированно от внешних систем.

Скорость вращения асинхронного генератора и, следовательно, частота выходного напряжения генератора могут колебаться в зависимости от нагрузки и расхода воды через турбину. Это зависит от взаимного баланса механической мощности генератора и электрической мощности генератора. В этом случае асинхронный генератор обычно подключается к автономной сети, например, через частотный преобразователь, который регулирует выходное напряжение и частоту системы.

Асинхронный генератор в автономной сети является источником полной мощности [ВА]. Он подает активную мощность [Вт] в автономную сеть.

Потребляемая реактивная намагничивающая мощность генератора [вар] и потребляемая реактивная мощность автономной сети [вар] должны подаваться, например, от батареи компенсирующих конденсаторов.

Автономная система с асинхронным генератором должна быть оборудована цепями управления и регулирования. Например, частотный преобразователь может использоваться для поддержания фиксированной частоты. В остальном асинхронный двигатель в рекуперативном режиме в автономном режиме ведет себя так же, как при подключении к распределительной сети.

• Износ контактов коммутационных аппаратов в процессе работы
• Что такое гальванометр и где его используют
• Какие бывают измерители сопротивления заземления

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории В помощь начинающим электрикам, Электродвигатели и их применение

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Трехфазный асинхронный электродвигатель

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя

Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени

Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)
Вращающееся магнитное поле

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор

Магнитный момент действующий на ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂1. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения n_s=n₁-n₂. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

• где s – скольжение асинхронного электродвигателя,
• n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• n₂ – частота вращения ротора, об/мин,

Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n₂ = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.

Преобразование энергии

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.

Работа асинхронного двигателя: устройство, виды, принципы

Что собой представляет? Работа асинхронного двигателя основана на двух основных компонентах: неподвижном статоре и вращающемся вокруг своей оси роторе. Это надежные, долговечные устройства.

Как работает? Принцип работы асинхронного двигателя базируется на токах Фуко. Магнитное поле статора взаимодействует с индуцируемым током в обмотке ротора. За счет этого создается электромагнитная сила, которая вращает вал электродвигателя, происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Из этого материала вы узнаете:

1. Устройство асинхронного двигателя
2. Принцип работы асинхронного двигателя
3. Преимущества и недостатки асинхронных двигателей
4. Пуск и схемы подключения асинхронного двигателя
5. Регулировка скорости асинхронного двигателя
6. Часто задаваемые вопросы о работе асинхронного двигателя

Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель имеет следующий принцип работы и устройство. Конструкция включает в себя неподвижный статор и ротор, вращающийся на оси. В статор входит сердечник в виде полого цилиндра, который выполнен из изолированных стальных пластин. На внутренней окружности находятся открытые пазы, в которых помещена первичная обмотка, на нее подаётся электрический ток.

Внутри статора помещен ротор, который вращается на валу при помощи подшипников, а те, в свою очередь, закрыты фиксирующими крышками. Снаружи устройство закрыто прочным корпусом. В моделях большой мощности температура работы асинхронного двигателя уменьшается за счет ребер на корпусе, а также отдельного вентилятора, отводящего горячий воздух. Концы обмоток выходят в клеммную коробку.

Асинхронные двигатели бывают короткозамкнутыми и фазными.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Работа асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором происходит в результате взаимодействия сердечника из штампованных листов и первичной обмотки, которая выполнена в виде параллельных металлических стержней, соединенных между собой металлическими кольцами. Визуально такая конструкция похожа на беличье колесо.

Обмотка статора находится под наклоном 10 градусов. При подаче переменного электрического напряжения со смещением 10 градусов появляется вращающееся магнитное поле, при помещении в которое короткозамкнутого ротора силовые линии начинают пересекать проводники и наводят на них электродвижущую силу. Следовательно, возникает ток, а также создается собственное магнитное поле, которое приходит во взаимодействие с вращающимся полем. В результате ротор начинает вращаться в том же направлении, что и собственное поле статора.

Читайте также!

Ротор всегда вращается с меньшей частотой, чем статор. В противном случае, если их частоты сравняются, ЭДС исчезнет, вращающий момент упадет до нуля, и устойчивая работа асинхронного двигателя станет невозможной, он просто остановится. Величина отставания частоты вращения ротора от частоты статора называется скольжением. Этот эффект и определят работу двигателей данного типа, сопротивление в них зависит от свойств ротора, включая его сопротивление.

Устройства, использующие принцип работы асинхронного двигателя переменного тока с короткозамкнутым контуром, имеют упрощенную конструкцию, поскольку контакты находятся в неподвижном состоянии. Скорость вращения при этих условиях изменяться не может.

Работа асинхронного двигателя с фазным ротором

Фазный ротор имеет конструкцию, похожую на статор. Сердечник сделан из нескольких электростатических металлических листов, которые установлены с продольными зазорами между ними. В этих зазорах помещаются витки вторичной (фазной) обмотки. Количество фаз ротора и статора должно быть идентичным. Электрические цепи ротора соединяются тремя контактным кольцами, к которым прикреплены концы обмотки. ПЗУ соединяются между собой при помощи звёздочки или треугольника. Если рассматривать конструкцию двухполюсного асинхронного двигателя, то в нем оси обмоток располагаются под углом 10 градусов относительно друг друга.

К фазному ротору может подключаться отдельное внешнее сопротивление, которое позволяет повысить качество пуска. Как правило, применяют реостат со ступенчатой настройкой. Мотор, соответственно, также набирает обороты ступенчато. Когда обороты достигают максимального показателя, реостат автоматически отключается за счет закорачивания токосъемных колец.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип работы асинхронного двигателя переменного тока содержится в самом названии: ротор и статор имеют магнитные поля различной частоты (частота поле ротора всегда меньше частоты поля статора).

Для лучшего преставления этого явления можно взять обычный магнитный диск и начать вращать его вокруг своей оси рядом с медным диском. Тот, в свою очередь, также начнет вращаться с меньшей скоростью. Когда магнит вращается, в диске активизируются токи Фуко, которые вращаются по замкнутой траектории. Они представляют собой по своей природе токи короткого замыкания, которые вызывают нагрев материала. В результате в диске формируется собственное магнитное поле, которое приходит во взаимодействие с постоянным полем магнита.

Читайте также!

В асинхронном двигателе обмотки статора обеспечивают появление вращающегося магнитного поля. Поток, который возникает в нем, порождает ЭДС в проводнике. При взаимодействии поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора появляется сила, которая и вызывает вращение вала двигателя.

Алгоритм работы асинхронного двигателя с фазным ротором следующий.

• В момент включения двигателя поле статора начинает пересекать концы ротора и вызывает индукцию электродвижущей силы.
• В роторе появляется переменный ток.
• Поля ротора и статора во взаимодействии вызывают появление крутящего момента.
• Вращающийся ротор начинает «догонять» поле статора.
• При сравнивании частот вращения полей ротора и статора производит затухание электромагнитных процессов, крутящий момент уменьшается до нуля.
• Поле статора снова начинает взаимодействовать с контуром ротора, который снова отстает.

Таким образом, принцип работы однофазного асинхронного двигателя подразумевает частоту поля ротора, которая всегда меньше частоты поля статора.

Так как ток в роторе возникает без контактного взаимодействия, становится возможным обойтись без использования скользящих контактов, что повышает надёжность устройства. Изменение направления вращения вала обеспечивается путем перемены местами фаз на клеммах, что приводит к течению тока в противоположном направлении.

Направление силы поможет определить правило левой руки, которое изучается еще в школьной программе физики.

Частота вращения поля статора зависит от питающей сети и количества пар полюсов (оно определяется типом мотора, и при необходимости изменения скорости вращения требуется установить соответствующую питающую сеть через преобразователь).

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

К положительным чертам работы асинхронного двигателя относятся:

• Простое устройство.
• Минимальные эксплуатационные расходы, издержки на генерацию единицы мощности при помощи асинхронного мотора ниже остальных.
• Удобство ремонта.
• Доступная цена.

За счет смещения фаз не нужны приборы для образования крутящего момента. Потери мощности очень низкие, КПД может достигать 97 % за счет небольшого количества деталей.

Теперь несколько слов о недостатках двигателей данного типа:

• Сложная настройка частоты вращения вала, малый выбор доступных скоростей.
• Значительная величина токов на старте, это может вызывать перебои в работе сети.
• Инерционность ротора при запуске: если нужно привести в движение устройство большого веса, то мотор может не запуститься.
• Зависимость режимов работы асинхронного двигателя от характеристик сети.

В современных асинхронных электромоторах все эти минусы сведены к минимуму.

Пуск и схемы подключения асинхронного двигателя

Асинхронный мотор с короткозамкнутых контуром отличается минимальными издержками на его работу, высокими значениями пусковых токов и малым усилием при запуске. В этой связи в зависимости от поставленной задачи используются разные варианты старта, чтобы минимизировать бросок тока в обмотках и получить оптимальные рабочие характеристики.

Различают следующие способы запуска:

• Прямой. Напряжение на мотор поступает посредством пускателей или контакторов.
• Переключение способа сопряжения обмоток со звезды на треугольник;
• Уменьшение величины напряжения.
• Плавный старт.
• Регулировка напряжения сети.

Существует несколько схем пуска.

Пуск при работе однофазных асинхронных двигателей

Для такого мотора применяются следующие варианты старта:

• С конденсаторным пуском. После старта мотора вводится пусковой конденсатор, который убирается по прошествии нескольких секунд после запуска. Отличается наибольшими моментами вращения.
• С резисторным пуском электромотора. Позволяет получить исходный сдвиг между векторами ЭДС обмоток.

Пуск при работе трехфазного асинхронного двигателя

Для таких моторов применяются следующие способы старта:

• Непосредственно в цепь с использованием контактора или пускателя. В результате формируются максимальные токи, поэтому данный вариант не годится для высоких механических нагрузок на вал.
• Переключением способа соединения со звезды на треугольник. Позволяет уменьшить токи в обмотках мотора, так как питающее напряжение снижается с линейного до фазного.
• Подключение через опосредующее устройство – преобразователь напряжения, реостат либо автотрансформатор. Это позволяет уменьшить различия между потенциалами. Может еще использоваться смена количества пар полюсов, частоты питающего тока.

Кроме того, трёхфазные моторы способны задействовать прямую и реверсивную схемы. Прямая схема включения в цепь используется для раскрутки вала двигателя в одну строну, а реверсивная даёт возможность выбирать необходимое направление вращения.

Регулировка скорости асинхронного двигателя

Для того чтобы изменить режим (скорость) работы асинхронного двигателя, применяются три способа.

• Изменение частоты электросети.
• Изменение количества пар полюсов.
• Изменение величины скольжения.

Для смены количества пар полюсов обмотка статора должна быть установлена определённым способом. Далее происходит переключение на одну, две либо три пары, при этом изменение является ступенчатым. Аналогичным образом изменяется и скорость вращения вала мотора. В многополюсных обмотках статора частота вращения больше.

Читайте также!

Основным фактором, влияющим на величину скольжения при работе асинхронного двигателя, является сопротивление. На ротор устанавливаются обмотки, а выводы делаются через кольца. Вводится скользящий контакт, что снижает надежность конструкции. Вместе с тем, реостатом или дискретным переключением может вводиться дополнительное сопротивление, благодаря чему ротор плавно или дискретно меняет величину скольжения. В результате меняется и скорость работы вала мотора.

Перечисленные варианты значительно повышают издержки, поэтому чаще всего используется изменение скорости работы асинхронного мотора за счёт смены частоты питающей сети. Для этого применяются частотные преобразователи. В результате формируется непрерывный ряд частот поля статора в заданных границах, что позволяет плавно регулировать частоту вращения вала. Сегодня на долю асинхронных двигателей в промышленности приходится 80 % всех электроустановок.

Часто задаваемые вопросы о работе асинхронного двигателя

Какие факторы учесть при покупке асинхронного мотора?

В первую очередь, нужно учесть задачи, для которых будет использоваться устройство.

• Для вентиляторов и маломощных насосов низкой мощности выбирайте однофазный двигатель.
• Двухфазный мотор понадобится для питания бытовых устройств.
• Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя позволяет использовать его для техники со значительным энергопотреблением, включая промышленное и строительное оборудование. Вместе с тем, настройка такого устройства может вызвать сложности.

Какие условия необходимы для мощного стартового момента в начале работы асинхронного двигателя?

Вращающий момент рассчитывается как магнитный поток, умноженный на силу тока. На старте токи могут в 5-7 раз превышать показатели при номинальном режиме работы асинхронного двигателя.

Допустим, что ротор представляет собой два беличьих колеса разного размера, из которых меньшее вставлено в большее. В этом случае при старте мотора начальный момент будет воздействовать на внешнее колесо. Это объясняется так называемым скин-эффектом, при котором вытесняется ток на высокой частоте. Если катушка имеет два полюса, частота сети составляет 50 Гц, то поле ротора достигает угловой частоты 000 оборотов в минуту. Размер скин-слоя – 9 мм. Чем больше полюсов, тем больше размер слоя. Соответственно, в момент старта ток выдавливается наружу, что приводит к росту вращающего момента.

При разгоне двигателя до номинальной скорости скин-эффект исчезает. По мере ускорения ротора снижается и частота индукции в обмотке. В этом случае ток движется по внутреннему кольцу. Таким образом обеспечивается максимальная тяга при старте мотора.

В настоящих асинхронных двигателях с увеличенным стартовым моментом скин-эффект достигается благодаря глубокому пазу в фазном роторе. Ток разделяется в соответствующие моменты по глубине этого паза. На старте ток сосредотачивается на внешнем контуре, при разгоне мотора и нивелировании скин-эффекта ток перераспределяется в глубину паза, вызывая уменьшение вращающего момента. Соответственно, при работе асинхронного мотора в номинальном режиме расход электроэнергии уменьшается, поскольку нет затрат мощности на запуск.

Зачем асинхронному двигателю охлаждение?

В асинхронном моторе происходит трансформация поступающей на обмотки статора электрической энергии в механическую. На входе и выходе мощность разнится, так как она частично теряется при трении, нагреве и т.д. Эта энергия рассеивается и вызывает тепловыделение, для нивелирования которого необходимо либо ограничивать время работы асинхронного двигателя, либо использовать систему охлаждения.

Асинхронные двигатели очень широко применяются как в промышленности, так и в быту, позволяя максимально эффективно использовать энергоресурсы и повышать производительность оборудования.