Что такое асинхронный электродвигатель

Асинхронный двигатель

Среди устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, несомненным лидером является трехфазный асинхронный двигатель – простой и надежный в эксплуатации агрегат. Благодаря своим качествам, он получил широкое применение в промышленности и других областях, где используются механизмы. Название двигателя связано с основным принципом его работы. У этих устройств магнитное поле статора вращается с частотой, превышающей частоту вращения ротора. Работа агрегата осуществляется от сети переменного тока.

Где применяются

Асинхронные двигатели активно используются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они потребляют примерно 70% всей энергии, предназначенной для преобразования электричества во вращательное или поступательное движение. Асинхронные двигатели зарекомендовали себя наиболее эффективными в качестве электрической тяги, без которой не обходятся многие технологические операции.

Асинхронные двигатели обладают множеством положительных качеств. Простая конструкция позволяет изготавливать наиболее дешевые и надежные устройства. Минимальные расходы по эксплуатации обеспечиваются отсутствием скользящего узла токосъема, что одновременно повышает и надежность агрегата.

Данный тип электродвигателей может быть трехфазным или однофазным, в зависимости от количества питающих фаз. В случае необходимости и при соблюдении определенных условий, трехфазный агрегат может питаться и работать от однофазной сети. Эти устройства применяются не только в промышленности, но и в бытовых условиях, а также на садовых участках или домашних мастерских. Однофазные двигатели обеспечивают работу и вращение вентиляторов, стиральных машин, небольших станков, водяных насосов и электроинструмента.

Для нормального действия асинхронного агрегата необходимо выбирать наиболее рациональную схему управления. Трехфазный двигатель будет работать в однофазном режиме при условии правильного расчета конденсаторов, выбора типа и сечения проводов, аппаратуры защиты и управления.

Устройство асинхронного двигателя

Понятие асинхронный означает не совпадающий по времени, неодновременный. В связи с этим, ротор такого двигателя вращается с частотой, меньшей чем частота вращения электромагнитного поля статора.

Подобное отставание называется скольжением и обозначается символом S в формуле, применяемой для расчетов:

• S = (n1 – n2)/n1 – 100%, где n1 является синхронной частотой магнитного поля статора, а n2 – частотой вращения вала.

Конструктивно, стандартный асинхронный электродвигатель включает в себя следующие элементы и детали:

• Статор с обмотками. Эту функцию также может выполнять станина, внутри которой помещается статор с обмотками.
• Короткозамкнутый ротор. Если используется фазный – он может называться якорем или коллектором.
• Подшипники различного типа – качения или скольжения. На двигателях повышенной мощности в передней части установлены крышки для подшипников с уплотнениями.
• Металлический или пластмассовый охлаждающий вентилятор, помещенный в кожух с прорезями для подачи воздуха.
• Подключение кабелей осуществляется с помощью клеммной коробки.

Данные конструктивные элементы могут незначительно изменяться, в зависимости от модификации электродвигателя.

Как уже отмечалось, асинхронные двигатели бывают трехфазными или однофазными. Первый вариант, в свою очередь, выпускается с короткозамкнутым или фазным ротором. Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому их следует рассмотреть более подробно.

Статор обладает круглой формой и собирается из специальных стальных листов, изолированных между собой. В результате, конструктивно образуется сердечник с пазами, в которые укладываются обмотки. Для этих целей используется обмоточный медный провод, изолированный лаком. В мощных агрегатах обмотки делаются в виде шины. При укладке они сдвигаются между собой на 120 градусов. Соединение осуществляется по схеме звезды или треугольника.

Конструкция самого короткозамкнутого ротора изготавливается в виде вала с надетыми на него стальными листами. Этот набор листов образует сердечник с пазами, заливаемые расплавленным алюминием. Равномерно растекаясь по пазам, алюминий образует стержни, края которых замыкают алюминиевые кольца.

Фазный ротор состоит из вала с сердечником и трех обмоток. С одного конца они соединяются звездой, а с другого – соединяются с токосъемными кольцами, на которые с помощью щеток подается электрический ток. Во время запуска образуется большой пусковой ток асинхронного двигателя. Его можно уменьшить путем добавления к фазным обмоткам нагрузочного реостата.

Принцип работы

Устройство и конструктивные особенности асинхронного двигателя определяют и принцип действия данного агрегата. Когда на обмотку статора подается напряжение, в ней образуется магнитное поле. Такая подача напряжения приводит к изменениям магнитного потока и всего магнитного поля статора. Измененные магнитные потоки поступают к ротору, приводят его в действие, после чего он начинает вращаться. Для того чтобы статор и ротор работали асинхронно, требуется, чтобы значения напряжения и магнитного потока были равны переменному току, используемому в качестве источника питания.

Сам двигатель работает следующим образом:

• Вращающееся магнитное поле воздействует на короткозамкнутую обмотку, специально приспособленную для вращения.
• Поле пересекает проводники роторной обмотки, индуктируя в них электродвижущую силу.
• Под воздействием силы в проводниках ротора начнется течение электрического тока, взаимодействующего с вращающимся магнитным полем. Это приводит к появлению электромагнитных сил, воздействующих на обмотку ротора.
• В сумме, действия приложенных сил вызывают появление вращающего момента, приводящего во вращение ротор в направлении магнитного поля.

Величина индуктированной ЭДС зависит от частоты пересечения проводников вращающимся магнитным полем. То есть, чем выше разница между n1 и n2, тем больше будет величина ЭДС. Ротор будет вращаться с частотой n2, которая всегда будет отставать от синхронной частоты поля статора n1. Эта разница между обеими частотами и будет частотой скольжения ∆n= n1- n2. Данное неравенство является необходимым условием появления электромагнитного вращающегося момента в асинхронном двигателе. Поэтому агрегат так и называется, поскольку вращение ротора происходит несинхронно с полем статора.

Что такое скольжение

Понятие скольжения представляет собой отношение частоты вращения к частоте поля. Данная величина S берется в процентном отношении от частоты вращения магнитного поля. В соответствии с формулой, рассмотренной ранее, частота вращения ротора, определяемая с помощью скольжения составит: n2 = n1 x (1 – S).

Ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, что и его магнитное поле. В свою очередь, направление вращения поля зависит от последовательности фаз трехфазной сети. Изменить направление вращения ротора возможно за счет изменения направления вращения поля, создаваемого статором. В этом случае изменяется порядок поступления импульсов тока к отдельным обмоткам. В случае необходимости может быть задано вращение по часовой или против часовой стрелки.

Важным моментом считается пуск асинхронного двигателя, при котором происходит пересечение обмотки ротора вращающимся магнитным полем. В результате, индуктируется большая ЭДС, создающая высокий пусковой ток. Подобное состояние компенсируется специальной нагрузкой, снижающей скорость вращения ротора.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором	С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска	1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления	2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется	3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени	4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации	5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором	С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора	1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент	2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток	3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим – основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:

1. Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
2. Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
3. Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
4. Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
5. Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.

Что такое асинхронный электродвигатель

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 .

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.

{SOURCE}