Принцип работы асинхронного двигателя

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.

Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигатель – это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 – вал, 2,6 – подшипники, 3,8 – подшипниковые щиты, 4 – лапы, 5 – кожух вентилятора, 7 – крыльчатка вентилятора, 9 – короткозамкнутый ротор, 10 – статор, 11 – коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется “беличьей клеткой“. В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье – асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение s – это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n₁ магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n₂, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n₂ ротора относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины s_кр – критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме – 1 – 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Что такое асинхронный двигатель и принцип его действия

Данный двигатель зачастую используется в промышленности. Он простой в использовании, долговечный, недорогой.

Асинхронный двигатель превращает электрическую энергию в механическую. Его работа основана на принципе вращающегося магнитного поля. Сам принцип действия аппарата можно описать несколькими пунктами поэтапно:

1. Во время запуска самого двигателя происходит пересечение магнитного поля с контуром ротора, после чего происходит индицирование электродвижущей силы.
2. В замкнутом роторе происходит возникновение переменного тока.
3. Магнитные поля: статора и ротора также воссоздают непосредственно так называемый крутящий момент.
4. Ротор «догоняет» поле самого статора.
5. Когда частоты вращения самого магнитного поля статора/ротора имеют совпадения, электромагнитные процессы, образованные в месте ротора затухают. После чего крутящий момент приравнивается к «0».
6. Статор, а вернее его образованное магнитное поле возбуждает контур ротора, который в этот момент вновь позади.

Где применяются?

Как уже уточнялось выше в статье, применяется данный двигатель промышленности (лебедки общепромышленного назначения, краны) и бытовой технике (асинхронные двигатели с небольшой мощностью).

Теперь остановим ваше внимание на электродвигателе непосредственно с короткозамкнутым ротором. Они применяются в самих электроприводах различных типов станков, а если говорить точнее: металлообрабатывающих, а также часто встречающихся на сегодня грузоподъемных и ткацких, в том числе деревообрабатывающих), а также в вентиляторах, лифтах, различных насосах, бытовых приборах.

Если говорить об асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором, то благодаря его применению можно добиться существенного снижения энергопотребления оборудования, которое в свою очередь, обеспечивает высокий уровень надежности аппарата. Данные характеристики оказывают положительный эффект на модернизацию производства в целом.

Что такое «скольжение»?

Пришло время поговорить о таком понятии как «скольжение» асинхронного двигателя.
Это, по сути, относительная разность скоростей самого вращения «ротора», это ни что иное, как изменение, так называемого переменного магнитного тока. «Скольжение» измеряется в относительных единицах, а также можно измерять в процентном соотношении.

Устройство асинхронного двигателя

Основные части двигателя: статор и ротор. Три обмотки находятся на полюсах железного сердечника кольцевой формы, сети так называемого трехфазного тока 0 располагаются одна относительно другой строго под углом 120 градусов.
Также отметим, что внутри самого сердечника закреплен на той же оси цилиндр из высококачественного металла. Он называется – ротор.

Статор

Статор это неподвижная часть, которая формирует вращающееся магнитное поле. Именно это поле непосредственно соприкасается с электромагнитным полем самой подвижной части, именуемой ротором, тем самым происходит полноценное вращение ротора.

Двигатели статора имеют фазные и короткозамкнутые роторы.

Устройство статора

1. Первое это корпус, изготовленный из чугуна, но часто встречаются корпуса из алюминия.
2. Далее идет сердечник из пластин, которые изготовлены из электротехнической стали в толщину 0,5 миллиметров. Пластины сердечника скреплены скобками или же швами, покрыты изоляционным лаком, закреплены в станине при помощи стопорных болтов.
3. Ну и последнее в устройстве статора– обмотки, сдвинутые друг к другу на 120 градусов, как правило, в устройстве их не более трех, они вложены в пазы на внутренней стороне самого сердечника, изготовлены из изолированного медного, алюминиевого провода круглого/квадратного сечения.

Сердечник статора

Выполняется с посадкой на вал, без наличия промежуточной втулки. Посадка сердечников используется в двигателях с высотой непосредственно оси в 250 миллиметров без шпонки.
В больших двигателях сердечники закреплены на вал с применением шпонки. В случае, если ротор в диаметре 990 миллиметров, сердечник шихтуют из разных сегментов.

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

Определить количество оборотов электродвигателя можно лишь при помощи обмотки. В этом нет ничего сложного и достаточно просто следовать инструкции и все получится. Для этого нужно:

1. Снять крышку с двигателя.
2. Найти одну из секций и посмотреть, сколько места она занимает по окружности самого круга. Например, если катушка заняла половину круга – это 180 градусов, то двигатель идет на 3000 оборотов в минуту.
3. Если в окружности вмещается три секции на 120 градусов, то это двигатель на 1500 оборотов в минуту.
4. Если в катушке вмещается 4 секции на 90 градусов, то двигатель на 3000 оборотов в минуту.

Ротор

Вращается внутри самого статора (выше описывали, что он представляет собой). Ротор – элемент электрического двигателя. Его вал соединен с деталями агрегаторов. Если говорить о массивном роторе – это цельный стальной цилиндр, который помещается во внутрь статора с не присоединенным к его поверхности сердечником (также выше описывали что такое сердечник).

Также бывают еще разновидности ротора:

• фазный (уложен в пазы сердечника обмоткой и соединен по схеме «звезда»),
• короткозамкнутый (залитый в поверхность сердечника, замкнут с торцов при помощи двух высокопроводящих медных колец).

Устройство короткозамкнутого ротора

Такая обмотка зачастую называется у профессионалов «беличьим колесом» по причине того, что его внешняя конструкция достаточно схожа с ним. Состоит из аллюминевых стержней, торцов с двумя кольцами замкнутых накоротко. Такие стержни вставлены, как правило, в пазы сердечника самого ротора.

Как сделан фазный ротор

Фазный ротор представляет собой двигатель, который поддается регулировке при помощи добавления в цепь ротора так называемых добавочных сопротивлений. Используются такого плана двигатели во время пуска с нагрузкой на валу. В свою очередь, увеличение сопротивления в цепи ротора предоставляет возможность увеличить пусковой момент.

Что лучше короткозамкнутый или фазный: совместная работа ротора и статора

Здесь стоит отметить, что особенных преимуществ нет ни у одного ротора, каждый хорош по-своему. Более подробно на них останавливаться не будем, так как вся необходимая информация по этим двум разновидностям ротора уже была дана выше в статье. остановим внимание на том, как регулируется частота вращения ротора. Это можно сделать при помощи изменения так называемого дополнительного сопротивления самой цепи ротора.

Также можно регулировать частоту вращения ротора, изменив напряжение статора, который подведен к обмотке.

Можно также изменить частоту питающего напряжения или же переключить число пар полюсов, ввести резисторы в цепь ротора.

Классификация по типу ротора

Классификация по типу ротора следующая: однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а также есть такая разновидность ротора, как двухфазный асинхронный двигатель короткозамкнутый.

Плюс ко всему сегодня часто пользуется спросом и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с тремя фазами, а также асинхронный двигатель с фазным ротором, также с тремя фазами. Именно так и делится классификация ротора по числу фаз.

Линейные моторы

В линейных двигателях перемещение рабочего органа РО (коротких подач) происходит от самого двигателя через ременную передачу строго на винт (ходовой).

Шариковая гайка скреплена с короткой передачей пружинных механизмов защиты от соударений, именно через нее происходит вращение винта и происходит трансформация в продольное перемещение РО.

Подключение двигателя к питанию

Кнопки “Стоп” должны быть подключены в последовательности друг с другом, а в свою очередь кнопки “Пуск” должны строго настрого быть подключены в параллели между собой в цепи управления.

Во время нажатия на “Пуск” цепь катушки будет замкнута, а сама катушка начинает втягиваться, а во время размыкания кнопки, напряжение питающее катушку, пойдет через блок-контакт КМ. Прервать цепь управления можно при помощи нажатия на одну из кнопок “Стоп”.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей

Достоинства:

• прежде всего, их легко использовать и никаких сложностей при эксплуатации не возникает
• конструкция двигателей очень простая и это еще одно их преимущество, а также нельзя не отметить их низкую себестоимость (порой это имеет большое значение для покупателей, так что это еще один плюс таких двигателей)
• надежность

Недостатки:

• модели оснащены маленьким пусковым механизмом
• выдают высокой спусковой ток
• очень сильно чувствительны к возможной смене параметров в сети
• для плавного регулирования скорости нужен преобразователь вероятных частот

Несмотря на то, что есть свои недостатки эти асинхронные двигатели, пользуются огромной популярностью. Так что все-таки они заслуживают должного уважения и не зря их часто используют в промышленности.

{SOURCE}