Одним из самых распространённых электродвигателей, который используется в большинстве устройств электропривода, является асинхронный двигатель. Этот двигатель называют асинхронным (не-синхронный) по той причине, что его ротор вращается с меньшей скоростью, чем у синхронного двигателя, относительно скорости вращения вектора магнитного поля.
Необходимо объяснить, что такое синхронная скорость.
Синхронная скорость – это такая скорость, с которой вращается магнитное поле в роторной машине, если быть точным, то это угловая скорость вращения вектора магнитного поля. Скорость вращения поля зависит от частоты протекающего тока и количества полюсов машины.
Асинхронный двигатель всегда работает на скорости меньшей, чем скорость синхронного вращения, потому как магнитное поле, которое образовано обмотками статора, будет генерировать встречный магнитный поток в роторе. Взаимодействие этого сгенерированного встречного магнитного потока с магнитным потоком статора сделает так, что ротор начнёт вращаться. Так как магнитный поток в роторе будет отставать, то ротор никогда не сможет самостоятельно достигнуть синхронной скорости, то есть такой же с какой вращается вектор магнитного поля статора.
Существует два основных типа асинхронного двигателя, которые определяются по типу подводимого питания. Это:
- однофазный асинхронный двигатель;
- трёхфазный асинхронный двигатель.
Следует заметить, что однофазный асинхронный двигатель не способен самостоятельно начинать движение (вращение). Для того, чтобы он начал вращаться, необходимо создать некоторое смещение из положения равновесия. Это достигается различными способами, с помощью дополнительных обмоток, конденсаторов, переключений в момент пуска. В отличие от однофазного асинхронного двигателя, трёхфазный двигатель способен начинать самостоятельное движение (вращение) без внесения каких-либо изменений в конструкцию или условия пуска.
От двигателей постоянного тока (DC) асинхронные двигатели переменного тока (AC) конструктивно отличаются тем, что питание подаётся на статор, в отличие от двигателя постоянного тока, в котором через щёточный механизм подаётся питание на якорь (ротор).
Принцип работы асинхронного двигателя
Подавая напряжение только на обмотку статора, асинхронный двигатель начинает работать. Интересно знать, как это работает, почему так происходит? Это очень просто, если понять, как происходит процесс индукции, когда в роторе индуцируется магнитное поле. Например, в машинах постоянного тока, приходится отдельно создавать магнитное поле в якоре (роторе) не через индукцию, а посредством щёток.
Когда мы подаём напряжение на обмотки статора, в них начинает протекать электрический ток, который создаёт магнитное поле вокруг обмоток. Далее, от многих обмоток, которые расположены на магнитопроводе статора формируется общее магнитное поле статора. Это магнитное поле характеризуется магнитным потоком, величина которого изменяется во времени, кроме этого направление магнитного потока меняется в пространстве, а точнее оно вращается. В итоге получается, что вектор магнитного потока статора вращается как раскрученная праща с камнем.
В полном соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в роторе, который имеет короткозамкнутую обмотку (короткозамкнутый ротор). В этой роторной обмотке будет протекать наведённый электрический ток, так как цепь замкнута, и она находится в режиме короткого замыкания. Этот ток точно также как и питающий ток в статоре будет создавать магнитное поле. Ротор двигателя становится магнитом внутри статора, который имеет магнитное вращающееся поле. Оба магнитных поля от статора и ротора начнут взаимодействовать, подчиняясь законам физики.
Так как статор неподвижен и его магнитное поле вращается в пространстве, а в роторе индуцируется ток, что фактически делает из него постоянный магнит, подвижный ротор начинает вращаться потому, как магнитное поле статора начинает его толкать, увлекая за собой. Ротор как бы сцепляется с магнитным полем статора. Можно сказать, что ротор стремится вращаться синхронно с магнитным полем статора, но для него это недостижимо, так как в момент синхронизации магнитные поля компенсируют друг друга, что приводит к асинхронной работе. Другими словами при работе асинхронного двигателя ротор скользит в магнитном поле статора.
Скольжение может быть как с запаздыванием, так и с опережением. Если происходит запаздывание, то имеем двигательный режим работы, когда электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, если скольжение происходит с опережением ротора, то имеем генераторный режим работы, когда механическая энергия преобразуется в электрическую.
Создаваемый крутящий момент на роторе зависит от частоты переменного тока питания статора, а также от величины напряжения питания. Изменяя частоту тока и величину напряжения можно влиять на крутящий момент ротора и тем самым управлять работой асинхронного двигателя. Это справедливо как для однофазных, так и трёхфазных асинхронных двигателей.
Виды асинхронного двигателя
Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:
- С раздельными обмотками (Split-phase motor);
- С пусковым конденсатором (Capacitor start motor);
- С пусковым конденсатором и рабочим конденсатором (Capacitor start capacitor run induction motor);
- Со смещённым полюсом (Shaded-pole motor).
Трёхфазный асинхронный двигатель делится на следующие виды:
- С короткозамкнутым ротором в виде беличьей клетки (Squirrel cage induction motor);
- С контактными кольцами, фазным ротором (Slip ring induction motor);
Как было упомянуто выше, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно начинать движение (вращение). Что следует понимать под самостоятельностью? Это когда машина начинает работать автоматически без какого-либо влияния из внешней среды. Когда мы включаем бытовой электроприбор, например вентилятор, то он начинает работать сразу же, от нажатия клавиши. Необходимо отметить, что в быту используется однофазный асинхронный двигатель, например двигатель в вентиляторе. Как же происходит такой самостоятельный запуск, если выше сказано, что такой тип двигателей его не допускает? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе надо изучить способы пуска однофазных моторов.
Почему трёхфазный асинхронный двигатель самозапускающийся?
В трёхфазной системе каждая фаза относительно двух других имеет угол равный 120 градусов. Все три фазы, таким образом, расположены равномерно по кругу, круг имеет 360 градусов, а это три раза по 120 градусов (120+120+120=360).
Если рассмотреть три фазы, А, B, C, то можно заметить, что лишь одна из них в начальный момент времени будет иметь максимальное значение моментального значения напряжения. Вторая фаза будет увеличивать значение своего напряжения вслед за первой, а третья фаза будет следовать за второй. Таким образом, мы имеем порядок чередования фаз A-B-C по мере нарастания их значения и возможен другой порядок в порядке убывания напряжения C-B-A. Даже если записать чередование иначе, например вместо A-B-C, написать B-C-A, то чередование останется прежним, так как цепочка чередования в любом порядке образует замкнутый круг.
Как же будет вращаться ротор асинхронного трёхфазного двигателя? Так как ротор увлекается магнитным полем статора и скользит в нем, то совершенно очевидно, что ротор будет двигаться в направлении вектора магнитного поля статора. В какую сторону будет вращаться магнитное поле статора? Так как обмотка статора трёхфазная и все три обмотки расположены равномерно на статоре, то образованное поле будет вращаться в направлении чередования фаз обмоток. Отсюда делаем вывод. Направление вращения ротора зависит от порядка чередования фаз обмоток статора. Изменив порядок чередования, фаз мы получим вращение двигателя в противоположную сторону. На практике, для изменения вращения двигателя достаточно поменять на местами две любые питающие фазы статора.
Асинхронный (индукционный) двигатель (АД) – устройство, преобразовывающий электрическую энергию в механическую. «Асинхронный» означает разновременный. Электродвигатели асинхронные питаются от сети переменного тока.
Особенности асинхронных двигателей
Применение
Такие электродвигатели (частотные преобразователи) не используются в сетях постоянного тока. Но они имеют широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. По статистике, до 70% электроэнергии, которая преобразуется в механическую энергию поступательного либо вращательного движения, потребляется именно индукционными электродвигателями.
Асинхронная машина не подключается к сети постоянного тока.
Асинхронные частотные преобразователи не требуют сложного производства и просты по своей конструкции, но в тоже время очень надежны. Такие двигатели могут работать от однофазной и трехфазной сети, используя разные частоты. Преобразователи не подходят для сетей постоянного тока. Для их управления применяют сравнительно несложные схемы.
При выборе асинхронного двигателя зачастую возникают проблемы с определением:
- его мощности;
- характеристик и приемлемой схемы, с помощью которой осуществляется управление электродвигателем;
- расчетом мощности конденсаторов, которые нужны, чтобы преобразователь работал от одной фазы;
- марки и сечения провода;
- устройств защиты и управления, которыми оснащен преобразователь.
Чтобы во всем этом разобраться, необходимо знать устройство и особенности работы асинхронного агрегата. Это поможет правильно подобрать преобразователь для решения конкретной задачи.
Индукционный агрегат свое название получил благодаря тому, что магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем сам ротор, поэтому последний всегда пытается «догнать» скорость вращения поля.
Устройство АД
Ротор и статор – главные элементы индукционного двигателя.
Схема устройства асинхронного агрегата
Схема: вал (1), подшипники (2,6), лапы (4), крыльчатка (7), статор (10), коробка выводов (11), ротор (9), кожух вентилятора (5), щиты подшипниковые (3,8).
На рисунке представлено устройство типового агрегата. Статор АД имеет форму цилиндра. Внутренняя часть имеет размеры, обеспечивающие зазор между ротором и статором. В пазах сердечника расположены обмотки. Их оси для нормальной работы расположены относительно одна другой под углом 1200. Между собой концы обмоток собираются с помощью схемы «звезда» либо «треугольник», но это зависит непосредственно от напряжения. Ротор может быть фазным либо короткозамкнутым.
Ротор вращается по ходу движения магнитного поля.
Трехфазную обмотку устанавливают на фазный ротор, она напоминает обмотку статора. С одной стороны концы обмотки фазного ротора обычно соединяются в «звезду», а свободные концы подсоединяются к контактным кольцам. Для включения в цепь обмотки фазного ротора дополнительного сопротивления используются щетки, подключенные к кольцам. Такая конструкция не предназначена для работы в цепях постоянного тока, так как необходимое вращение обеспечивает изменение фазы.
Короткозамкнутый ротор – это сердечник, который сделан из стальных листов. Пазы в короткозамкнутом роторе заполняются расплавленным алюминием, в результате чего получаются стержни, замыкаемые накоротко торцевыми кольцами.
Таким короткозамкнутым ротором создаются условия для минимального электрического сопротивления. Эта конструкция получила название «беличья клетка» или «беличье колесо».
Конструкция «беличья клетка»
В короткозамкнутом роторе повышенной мощности пазы заполняются медью или латунью. Беличье колесо – это и есть короткозамкнутая обмотка ротора.
В зависимости от подключаемой фазы индукционный агрегат подразделяется на однофазный и трехфазный. С помощью учета данного параметра различают принцип действия асинхронного двигателя.
Однофазная индукционная машина
Чаще всего индукционный однофазный двигатель переменного тока устанавливается в бытовой технике, так как электроснабжение дома осуществляется от однофазной электросети. Преимуществом таких двигателей переменного тока является достаточно прочная конструкция и низкая стоимость, отсутствие сложных схем управления.
Они вполне подходят для длительной работы, так как не нуждаются в техническом обслуживании. Обычно однофазный двигатель малой мощности – до 0,5 кВт. Такие электродвигатели устанавливаются в стиральных машинах, компрессорах холодильников и другой бытовой технике, где ротором создается небольшая скорость вращения, сравнительно небольшой объем силы тока.
Схема работы однофазного двигателя малой мощности
В однофазных индукционных агрегатах на статоре установлено управление ротором от двух обмоток, которые сдвинуты одна от другой на 900 тока для образования пускового момента. Одна обмотка является пусковой, а вторая – рабочей.
Однофазные электродвигатели не подходят для сетей постоянного тока. Они характеризуются низкими энергопоказателями и малой перегрузочной способностью. Агрегаты функционируют в нормальном режиме, если не нарушен определенный диапазон частоты поля. После начала вращения устройство управления подключает рабочую обмотку. Это позволяет уменьшить потребление энергии.
В электрических приводах с обычным запуском устанавливаются, как правило, однофазные индукционные двигатели, имеющие экранированные полюса. В таком асинхронном электродвигателе в качестве вспомогательной фазы выступают короткозамкнутые витки, имеющие минимальные сопротивления, размещенные на выраженных полюсах статора.
Учитывая то, что пространственный угол, образованный витком и осями основной фазы, гораздо меньше 900, в таком электродвигателе есть эллиптическое поле. С помощью него создаются сравнительно небольшие силы, чем и объясняются невысокие рабочие и пусковые свойства индукционных электродвигателей, оснащенных экранированными полюсами с фазным включением.
Индукционные однофазные электродвигатели, имеющие короткозамкнутый ротор подразделяются на:
- с усиленным сопротивлением фазы пуска;
- агрегаты с короткозамкнутым ротором, оснащенные рабочим конденсатором;
- оснащенные фазным пусковым конденсатором;комбинированные с фазным управлением, короткозамкнутым ротором;
- комбинированные с фазным управлением, короткозамкнутым ротором;
- с экранированными полюсами.
Трехфазный двигатель
В трехфазной индукционной машине обмотка предназначена для образования вращающегося по кругу магнитного поля, которое проходит через короткозамкнутую обмотку ротора. Созданные с фазным управлением аппараты не применяются в цепях постоянного тока. При прохождении поля через проводники обмотки статора образуется электродвижущая сила, которая и вызывает прохождение переменного тока в обмотке, управляющей ротором, имеющим собственное магнитное поле. Данное магнитное поле при взаимодействии с фазным магнитным вращающимся полем статора вызывает вращение определенной частоты вслед за полями между ним и ротором.
Схема работы индукционного трехфазного агрегата
Данный принцип разработал академик из Франции Араго. Иными словами, если подковообразный магнит установить вблизи металлического диска свободно закрепленным на оси и вращать его с поддержанием определенной частоты оборотов, то металлический диск без дополнительного управления начнет движение за магнитом, однако скорость его вращения будет меньше, чем скорость движения магнита.
Данное явление обусловлено правилами электромагнитной индукции. Во время вращения около поверхности металлического диска полюсов магнита в контурах под полюсом образуется электродвижущая сила соответствующей частоты, и возникают токи, создающие магнитное поле металлического диска. Магнитное поле диска начинает взаимодействовать с полем полюсов вращающегося магнита, в результате чего диск «увлекается» своим магнитным полем.
Так и в асинхронном агрегате, в качестве металлического диска выступает короткозамкнутая обмотка ротора, а в качестве магнита – магнитопровод и обмотка статора.
Чтобы облегчить управление и запуск трехфазного электродвигателя при подключении к однофазной сети (переменного, а не постоянного тока), на момент пуска дополнительно устанавливается параллельно с рабочим и пусковой конденсатор. Им компенсируют отсутствие фазы и соответствующей частоты поля.
Запуск трехфазного двигателя
Двигатель в работе. Видео
О том, как работает асинхронный двигатель в режиме генератора, можно посмотреть в этом видео. Здесь представлены дельные советы по оптимизации процесса, в том числе и те, которые относятся к схемам управления фазным вращением.
Таким образом, зная особенности работы индукционной машины, с уверенностью можно сказать, что преобразование в механическую энергию электрической происходит в результате вращения вала электродвигателя (ротора).
Скорость вращения магнитного поля ротора и статора напрямую зависит от частоты питающей сети и количества пар полюсов. В случае, когда тип двигателя ограничивает число пар полюсов, то для управления изменением частоты питающей сети в больший диапазон используют частотный преобразователь.
Выше рассмотрены особенности управления фазным вращением. Также приведены отличия конструкции с короткозамкнутым минимальным ротором, который используется для уменьшения сопротивления. Следует помнить, что устройство некоторых агрегатов подразумевает возможность их применения только в цепях постоянного тока. Преобразователи с фазным вращением работают при питании переменным током.
Асинхронным двигателем называют устройство, предназначенное для превращения электрической энергии в механическую. Асинхронным именуют потому, что процессы внутри него протекают неодновременно: частота вращения ротора постоянно опережает частоту вращения магнитного поля, образуемого статором. Рассмотрим подробнее принцип действия и конструкцию машины, а также ее отличия от синхронного собрата.
Работа электродвигателя переменного тока основана на свойстве магнитного поля, заключающемся во взаимодействии с другими полями. Так, если первое поле содержится внутри второго, вращающегося вокруг своей оси, то оно тоже начнет вращаться. Это явление доказывается опытным путем.
Дугообразный магнит укреплен так, чтобы его можно было приводить в движение с помощью ручки. Между северным и южным полюсом помещается цилиндр, выполненный из меди. Он может вращаться.
Если крутить ручку, то магнит начнет обращаться вокруг своей оси. Поэтому магнитный поток, проходящий через цилиндр, будет меняться. А это главное условие для образования вихревых токов внутри самого цилиндра. А электрический ток всегда создает вокруг магнитное поле. Поля магнита и цилиндра начинают взаимодействовать друг с другом, результатом чего становится вращение этого цилиндра в том же направлении, что и подковообразный магнит.
Так как вращение цилиндра – результат воздействия вращающегося магнитного поля, то он будет отставать на некоторую величину, которую называют скольжением. Оно рассчитывается по формуле (выражается в процентах):
Где s – скольжение, n – скорость вращения постоянного магнита (называют синхронной), n 0 – медного цилиндра (называют асинхронной). Именно разница в этих скоростях – необходимое условие для работы электродвигателя.
Конструкция
Проделанный опыт демонстрировал вращение цилиндра за счет вращения постоянного магнита. Поэтому конструкция еще не имеет права называться электродвигателем. Надо изменить ее так, чтобы магнитное поле, необходимое для вращения ротора, создавалось электричеством. И это возможно при использовании трехфазного тока.
Асинхронная машина снабжается:
- Статором;
- Ротором;
- Осью, на которой сидит ротор.
На рисунке внешнее кольцо – это железный статор электродвигателя, состоящий из корпуса со станиной и железного сердечника. На его полюсах размещаются три обмотки (Н – начало, К – конец). Между двумя соседними намотками соблюдается угол – 120 градусов. Каждая из них подключена к одной из фаз трехфазного тока.
Внутри статорного кольца – металлический цилиндр, посаженный на ось, относительно которой он может вращаться. Это ротор асинхронного мотора. Он может быть короткозамкнутым или фазным.
Это устройство выглядит как сердечник, собранный из листовой стали. Он имеет пазы, в которых находится алюминий, залитый в растопленном состоянии. Металл образует стержни, замыкающиеся торцевыми кольцами накоротко (отсюда и название). С короткозамкнутым ротором сравнивают беличью клетку, потому что у них прослеживается внешнее сходство.
Важно! Для электродвигателей с короткозамкнутым ротором высокой мощности вместо алюминия заливают медь.
Конструкция асинхронной машины с фазным ротором сложна. Однако у них есть преимущество перед короткозамкнутым устройством. Заключается оно в возможности плавно менять скорость вращения.
Фазным ротором представляется вал, укрепленный на шихтованном сердечнике, имеющем трехфазную обмотку. Этим он напоминает конструкцию статора. Начала намоток соединяют по схеме звезда, а концы объединяются с помощью контактных колец. Они изолируются между собой и располагаются на роторном вале.
Чтобы кольца соприкасались с фазным ротором, для каждого из них предусмотрена пара щеток, изготовленных из металла и графита. Они закрепляются в специальных держателях, которые прижимают их к кольцам с помощью пружин.
В случае с фазным ротором трехфазная намотка подсоединяется к пусковому реостату. Поэтому в роторной электроцепи образуется дополнительное сопротивление.
Принцип действия
Понять принцип действия асинхронного двигателя поможет график с рисунком, изображенные ниже.
На графике выделено 4 положения (а, б, в и г), каждому из которых соответствует схема (А, Б, В или Г). Линии связаны с фазным током: l1 – первая, l2 – вторая, l3 – третья фаза. Во время работы электродвигателя происходят следующие изменения:
- Положение а . Значение тока в l1 – 0, в l2 – отрицательное число, в l3 – положительное. На схеме направление, в котором будет течь ток, указано с помощью стрелок. Будет создан магнитный поток, направленность линий которого можно установить, применив правило правой руки, образует южный полюс (обозначен Ю) на конце полюса 3-ей катушки внутри статора. При этом на 2-ой катушке будет создан северный полюс (С). Это говорит о том, что линии магнитного потока направляются через ротор от 2-ой обмотки к 3-ей.
- Положение б . Значение переменного тока в l2 – 0, в l1 – положительное число, в l3 – отрицательное. Возникший магнитный поток на 1-ой катушке статора создает южный полюс, а на 3-ей – северный. Поэтому он меняется направление ровно на 120 градусов и направляется через ротор от 3-ей обмотки к 1-ой.
- Положение в . Значение переменного тока в l3 – 0, в l2 – положительное число, в l1 – отрицательное. Теперь северный полюс соответствует 1-ой катушке, а южный – 2-ой. Это значит, что магнитный поток снова повернулся на 120 градусов и теперь проходит через ротор от 1-ой обмотки ко 2-ой.
- Положение г . Все значения переменного тока на каждой из фаз, а также направление магнитного потока соответствуют положению а.
Видно, что работа асинхронного электродвигателя возможна благодаря изменению направления переменного тока в статорных обмотках. Каждому периоду изменения тока будет соответствовать один оборот магнитного потока, который будет заставлять ротор вращаться. И неважно, как соединены обмотки, звездой или треугольником.
Однофазные асинхронные машины
Обычно асинхронная машина питается от трехфазного переменного тока. Но был разработан однофазный мотор. Он менее распространен, потому что обладает малой мощностью и требует дополнительной силы для разгона.
Устройство однофазного электрического двигателя включает в себя одну рабочую обмотку. Потому он и называется – однофазный. Но по сути это двухфазная машина, которая работает благодаря тому, что во время пуска в ход в цепь включается вспомогательная, или пусковая обмотка.
Однофазный мотор оснащается короткозамкнутым ротором. Это одно из преимуществ – простота конструкции. Однако у однофазного электродвигателя есть недостаток – это отсутствие пускового момента и малый КПД.
Течение однофазного переменного тока вызывает магнитное поле, состоящее из двух: их амплитуды равны, однако вращаются они в противоположных направлениях. С покоящимся ротором эти поля создают одинаковые по модулю пусковые моменты. Но поскольку их знаки разные, результирующий пусковой момент равен нулю. Поэтому ротор остается неподвижен. Но если заставить его вращаться с применением дополнительной силы, между двумя полями образуется скольжение – разность моментов. Будет преобладать тот момент, который направлен в сторону вращения ротора. Тогда принудительное приведение его в движение можно прекратить: дальнейшая работа обеспечивается скольжением.
Отличия асинхронных и синхронных моторов
Асинхронные машины переменного тока в большинстве снабжены не фазным, а короткозамкнутым ротором. Их отличия от синхронных двигателей:
- Малая мощность;
- Простое устройство;
- Низкая стоимость;
- Увеличенный срок работы за счет отсутствия щеток;
- Сложная регулировка скорости (но нет надобности в применении преобразователей).
Модели с фазным ротором от короткозамкнутых отличаются сложным устройством, но возможностью плавно регулировать скорость. Их стоимость и мощность выше, однако щетки часто изнашиваются.
Электрические двигатели асинхронного типа нашли широкое применение в сетях как трехфазного, так и однофазного питания. Они используются в промышленности и в быту. Но только в качестве двигателя, в генераторном режиме лучшие показатели выдают синхронные машины.
Здравствуйте, уважаемые посетители сайта .
Электрические машины переменного тока нашли широкое распространение, как в сфере промышленности (шаровые мельницы, дробилки, компрессоры), так и в домашних условиях (сверлильный и наждачный станки, циркулярная пила).
Основная их часть является бесколлекторными машинами, которые в свою очередь разделяются на асинхронные и синхронные.
Асинхронные и синхронные электрические машины обладают одним замечательным свойством под названием обратимость, т.е. они могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном.
Но чтобы дальше перейти к более подробному их рассмотрению и изучению, необходимо знать принцип их работы. Поэтому в сегодняшней статье я расскажу Вам про . После прочтения данного материала Вы узнаете про электромагнитные процессы, протекающие в электродвигателях.
Итак, поехали.
Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя
При включении обмоток статора асинхронного двигателя в сеть трехфазного переменного напряжения образуется вращающееся магнитное поле статора, которое имеет частоту вращения n1. Частота его вращения определяется по следующей формуле:
- f — частота питающей сети, Гц
- р — число пар полюсов
Это вращающееся магнитное поле статора пронизывает, как обмотку статора, так и обмотку ротора, и индуцирует (наводит) в них ЭДС (Е1 и Е2). В обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции (Е1), которая направлена навстречу приложенному напряжению сети и ограничивает величину тока в обмотке статора.
Как Вы уже знаете, обмотка ротора замкнута накоротко, у электродвигателей с короткозамкнутым ротором, или через сопротивление, у электродвигателей с фазным ротором, поэтому под действием ЭДС ротора (Е2) в ней появляется ток. Так вот взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу Fэм.
Направление электромагнитной силы Fэм можно легко найти по правилу левой руки .
Правило левой руки для определения направления электромагнитной силы
На рисунке ниже показан принцип работы асинхронного двигателя. Полюса вращающегося магнитного поля статора в определенный период обозначены N1 и S1. Эти полюса в нашем случае вращаются против часовой стрелки. И в другой момент времени они будут находится в другом пространственном положении. Т.е. мы как бы зафиксировали (остановили) время и видим следующую картину.
Токи в обмотках статора и ротора изображены в виде крестиков и точек. Поясню. Если стоит крестик, то значит ток в этой обмотке направлен от нас. И наоборот, если точка, то ток в этой обмотке направлен к нам. Пунктирными линиями показаны силовые магнитные линии вращающегося магнитного поля статора.
Устанавливаем ладонь руки так, чтобы силовые магнитные линии входили в нашу ладонь. Вытянутые 4 пальца нужно направить вдоль направления тока в обмотке. Отведенный большой палец покажет нам направление электромагнитной силы Fэм для конкретного проводника с током.
На рисунке показаны только две силы Fэм, которые создаются от проводников ротора с током, направленным от нас (крестик) и к нам (точка). И как мы видим, электромагнитные силы Fэм пытаются повернуть ротор в сторону вращения вращающегося магнитного поля статора.
Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен от нас (крестик).
Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен к нам (точка).
Совокупность этих электромагнитных сил от каждого проводника с током создает общий электромагнитный момент М, который приводит во вращение вал с частотой n.
Эта частота называется, асинхронной.
Отсюда и произошло название асинхронный двигатель. Частота вращения ротора n всегда меньше частоты вращающегося магнитного поля статора n1, т.е. отстает от нее. Для определения величины отставания введен термин «скольжение», который определяется по следующей формуле:
Выразим из этой формулы частоту вращения ротора:
Пример расчета частоты вращения двигателя
Например, у меня есть двигатель типа АИР71А4У2 мощностью 0,55 (кВт):
- число пар полюсов у него равно 4 (2р=4, р=2)
- частота вращения ротора составляет 1360 (об/мин)
Вот его бирка.
Определим частоту вращения поля статора этого двигателя при частоте питающей сети 50 (Гц):
Найдем величину скольжения для этого двигателя:
Кстати, направление движения вращающегося магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения вала электродвигателя, можно изменить. Для этого необходимо поменять местами любые два вывода источника питающего трехфазного напряжения. Об этом я упоминал Вам в статьях про и .
Принцип работы асинхронного двигателя. Выводы
Зная принцип работы асинхронного двигателя, можно сделать вывод, что преобразуется в механическую энергию вращения вала электродвигателя.
Частота вращения магнитного поля статора, а следовательно и ротора, напрямую зависит от числа пар полюсов и частоты питающей сети. Если число пар полюсов ограничивается типом двигателя (р = 1, 2, 3 и 4), то частоту питающей сети можно изменить в большем диапазоне, например, с помощью частотного преобразователя.
Если в нашем примере частоту питающей сети увеличить всего на 10 (Гц), то частота вращения магнитного поля статора увеличится на 300 (об/мин).
Опыт по установке и монтажу частотных преобразователей у меня есть, но не большой. Несколько лет назад на городском водоканале мы проводили замену двух высоковольтных двигателей насосов холодной воды на низковольтные двигатели с частотными преобразователями. Но это уже отдельная тема для разговора. Сейчас покажу Вам несколько фотографий.
Вот фотография старого высоковольтного двигателя напряжением 6 (кВ).
А это новые двигатели напряжением 400 (В), установленные вместо старых высоковольтных.
Вот шкафы частотных преобразователей. На каждый двигатель свой шкаф. К сожалению, изнутри сфотографировать не успел.
Подписывайтесь на рассылку новостей с моего сайта, чтобы не пропустить самое интересное. В ближайшее время я расскажу Вам про пуск и способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей двигателей, схемы их подключения и многое другое.
P.S. На этом статью про принцип работы асинхронного двигателя я завершаю. Спасибо за внимание.
Асинхронный двигатель - это асинхронное устройство, предназначенное для преобразования с минимальными потерями электрической энергии переменного тока в механическую энергию, необходимую для запуска работающих на этом двигателе приборов. Чтобы иметь более ясное представление о принципе работы асинхронных двигателей, необходимо познакомиться с устройством этого прибора, а также узнать, какие типы этих машин существуют на сегодняшний день.
История изобретения
Принцип магнетизма вращения был открыт еще в 1824 году французским физиком Д. Ф. Арагоном. В результате своих экспериментов, ученый обнаружил, что можно привести в движение медный диск, закрепленный на вертикальную ось, воздействуя на него постоянным магнитом. Работу над трудами Арагона продолжил английский физик Уильям Бейли в 1879 году. В своих экспериментах он воздействовал на медный диск четырьмя электромагнитами, подключенными к источнику постоянного тока. Однако законченную формулировку этому явлению дали в 1888 году итальянский физик Феррарис и Никола Тесла, работавшие независимо друг от друга.
В 1888 году Тесла представил миру свой первый опытный образец асинхронного двигателя. Однако широкое применение он не получил из-за низких технических показателей в момент запуска двигателя. Современная конструкция вращающего трансформатора, в том виде, в котором мы знаем его сегодня, была разработана французским инженером П. Бушеро, разработавшем аналог современного асинхронного двигателя.
Устройство асинхронного двигателя
Любой электродвигатель, независимо от мощности и габаритов, состоит из следующих элементов:
- Статор;
- Ротор;
- Катушки статора и ротора;
- Магнитопровод.
Ротор - это подвижный узел мотора, отвечающий за преобразование одной энергии в другую, посредством вращения ротора вокруг своей оси. Двигатели, работающие от переменного тока и получающие энергию при помощи магнитного поля и индукции, называются асинхронными. Они устроены по принципу вторичной обмотки трансформатора, благодаря чему второе их название - вращающие трансформаторы. Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели с трехфазным включением.
В основе устройства асинхронных двигателей лежит правило левой руки буравчика, которое демонстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника, а также задает направление вращения электродвигателя.
Вторым законом, заложенным в устройство и работу вращающих трансформаторов, является закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит:
- Электродвижущая сила, или сокращенно ЭДС, наводится в обмотке устройства, но электромагнитный поток постоянно изменяется во времени;
- Электродвижущая сила изменяется в зависимости от изменения во времени электромагнитного потока.
- ЭДС и электрический ток имеют противоположное направление движения.
Принцип работы асинхронного двигателя
Принцип работы и скольжения в асинхронных машинах переменного тока предельно прост. В электрической обмотке статора, при подаче на нее напряжения, создается магнитное поле. При подаче напряжения переменного тока происходит изменения магнитного потока, создаваемого статором. Таким образом, магнитное поле статора изменяется и магнитные потоки поступают на ротор, что приводит его в действие и заставляет вращаться. Однако для обеспечения асинхронной работы статора и ротора необходимо чтобы магнитный поток и напряжение статора было равно по величине переменному току. Это обеспечит возможность ее работы исключительно от источника переменного тока.
Если асинхронный двигатель выполняет функцию генератора, то он будет вырабатывать постоянный ток. В этом случае вращение ротора 
будет обеспечиваться благодаря воздействию внешних источников, например, турбиной. Если в устройстве ротора присутствует так называемый остаточный магнетизм, то он будет обладать определенными магнитными свойствами, которые присущи магниту. В этом случае в стационарной обмотке статора будет вырабатываться переменный поток. Таким образом, наведенное напряжение будет поступать в обмотки катушек статора по принципу магнитной индукции.
Область применения индукционных генераторов достаточно широка. Их используют для обеспечения резервным источником электрического питания небольших магазинчиков и частных домов. Это одни из самых дешевых и простых в установке и эксплуатации типов радиаторов. В последние годы все активнее индукционные генераторы применяются во многих странах по всему миру, в которых существует проблема, связанная с постоянными перепадами напряжения в электрической сети. В процессе работы генератора, ротор приводится в движение благодаря дизельному двигателю небольшой мощности, подключенному к асинхронному генератору.
Принцип вращения ротора
Принцип работы ротора основан на электромагнитном законе Фарадея. Вращается он благодаря воздействию электродвижущей силы, возникающей в результате взаимодействия магнитных потоков и обмотки ротора. На деле это выглядит так: между статором, ротором и их обмотками существует некий зазор, сквозь который проходит вращающийся магнитный поток. В результате этого в проводниках ротора возникает напряжение, которое и является причиной образования ЭДС.
Двигатели с замкнутой цепью роторных проводников работают немного иначе. В этих типах двигателей используются короткозамкнутые роторы, в которых направление движения тока и электродвижущей силы задается правилом Ленца, согласно которому ЭДС противодействует возникновению тока. Вращение ротора происходит благодаря магнитному потоку, движущемуся между ним и неподвижным проводником.
Таким образом, для уменьшения относительной скорости, ротор начинает синхронное вращение с магнитным потоком на обмотке статора, стремясь к вращению в унисон. При этом частота электродвижущей силы ротора равняется частоте питания статора.
Гребневые асинхронные двигатели
При подаче низкого напряжения питания на короткозамкнутый ротор, не происходит возбуждения его обмоток. Это происходит из-за того, что ротор и статор имеют одинаковое число зубьев, в результате чего магнитная фиксация между ними равна, что вызывает их взаимную нейтрализацию. В физике это явление называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Для того чтобы решить эту проблему, достаточно всего - лишь увеличить количество зубьев на статоре или роторе.
Принцип подключения асинхронных двигателей
В любой момент времени работу асинхронного двигателя можно остановить. Для этого достаточно всего - лишь поменять местами любые два вывода статора. Это может понадобиться при возникновении различного рода чрезвычайных ситуаций. После этого происходит противофазное торможение, происходящее в результате изменения направления вращающегося потока, что прекращает подачу электропитания ротора.
Чтобы избежать возникновения такой ситуации, в однофазных асинхронных двигателях используют специальные конденсаторные устройства, подключающиеся к пусковой обмотке двигателя. Однако перед использованием этих устройств, необходимо рассчитать оптимальные для работы параметры. При этом следует учитывать, что мощность конденсаторов, используемых в одно- или двухфазных электрических машинах переменного тока, должна равняться мощности самого двигателя.
Принцип муфты
Рассматривая технические характеристики вращающихся трансформаторов переменного тока, применяемых в производстве промышленного оборудования, и их принцип действия, можно обнаружить аналогию с принципом работы вращающейся муфты механического сцепления. Значение крутящего момента на валу привода должно соответствовать величине этого значения на ведомом валу. Помимо этого очень важно понимать, что эти два момента идентичны друг другу. Поскольку линейный преобразователь приводится в движение под воздействием терния между дисков, находящихся внутри муфты.
Электромагнитная муфта сцепления
Похожая технология реализована и в тяговом двигателе, в котором используются фазовые роторы. Система этих моторов состоит из остовы и 4 основных, и 4 добавочных полюсов. Основные полюса представляют из себя медные катушки, которые начинают вращение благодаря зубчатой передаче, приводимой в движение сердечником также называемом, валовым якорем. Запитка от сети происходит благодаря четырем гибким кабелям. Основная область применения многополюсных двигателей - тяжелое машиностроение. Они выступают движущей силой для крупной сельскохозяйственной техники, железнодорожного транспорта и станков для некоторых типов промышленности.
Плюсы и минусы асинхронных двигателей
Вращающие трансформаторы получили большую популярность благодаря своей универсальности, позволяющей использовать их во многих отраслях. Однако эти механизмы, как и любые другие устройства, имеют свои достоинства и недостатки. Давайте подробнее разберемся с каждым из них.
Достоинства вращающих трансформаторов переменного тока:
- Простая конструкция двигателя;
- Дешевая себестоимость приборов;
- Высокие эксплуатационные характеристики;
- Простое управление конструкцией;
- Возможность работы в тяжелых условиях.
Высокая производительность асинхронных двигателей переменного тока достигается благодаря высокой мощности, потери которой минимизированы благодаря отсутствию трения в процессе их работы.
К недостаткам вращающих трансформаторов можно отнести:
- Потеря мощности при изменении скорости.
- Снижение крутящего момента при увеличении нагрузки.
- Низкая мощность в момент запуска.