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.
Добавить сайт в закладки
У неподвижной части машины, статора, сердечник имеет форму полного цилиндра. В пазах с внутренней стороны этого сердечника уложена трехфазная обмотка. Эта обмотка включается под напряжение трехфазной сети, и возникающие в ней токи возбуждают машины.
У подвижной части, ротора, сердечник имеет форму цилиндра. Он укреплен на валу машины. В пазах на поверхности сердечника размещается обмотка ротора, в большинстве случаев короткозамкнутая. Если ее мысленно снять с сердечника, то она будет иметь вид цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, замкнутых на торцах двумя кольцами из того же материала. Такую обмотку называют «беличьим колесом». Стержни обмотки вставляются в пазы ротора без изоляции. Часто короткозамкнутая обмотка ротора изготавливается путем заливки расплавленным алюминием пазов сердечника. Причем отливаются и замыкающие кольца.
Обмотка статора электродвигателя выполняется изолированным проводом и укладывается в пазы статора. Каждая из катушек распределяется по нескольким пазам. Если обмотка состоит из трех катушек, то трехфазная система токов, ее обтекающих, возбуждает вышеописанное двухполюсное вращение. За один период переменного тока такое поле делает один оборот. Следовательно, при стандартной промышленной частоте 50 Гц, т. е. 50 периодов в секунду, двухполюсное поле делает 50 х 60 =3000 об./мин. Скорость вращения ротора обычно лишь на несколько процентов меньше скорости вращения поля.
Чтобы получить двигатель с меньшей скоростью поля, нужно посредством многополюсной обмотки увеличить число полюсов вращающегося магнитного поля. Каждым трем катушкам статорной обмотки соответствует одна пара полюсов вращающегося поля. Следовательно, если трехфазная обмотка статора состоит из К катушек. то число пар полюсов вращающегося поля, возбуждаемого этой обмоткой, будет: Р=К:З.
Направление вращения ротора асинхронного двигателя определяется направлением вращения его магнитного поля.
А направление вращения поля обуславливается последовательностью фаз А, В, С трехфазной сети. Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить соединение обмотки статора с сетью, чтобы зажим статора, соединенный первоначально с фазой А сети, был бы присоединен к фазе В сети. Соответственно, зажим статора, соединенный с фазой В сети, должен быть соединен с фазой А сети. Соединение третьего зажима статора с сетью остается без изменений.
Пока ротор неподвижен, условия в асинхронном двигателе подобны условиям в трансформаторе: первичной обмотке трансформатора соответствует обмотка статора, а вторичной - обмотка ротора. Напряжение на зажимах каждой фазной обмотки статора уравновешивается ЭДС, индуктируемой в этой обмотке вращающимся магнитным полем. Ток в обмотке ротора индуктируется вращающимся магнитным полем.
Согласно принципу Ленца, этот индуктированный ток стремится ослабить магнитное поле, его индуктирующее. Но ослабление магнитного поля уменьшает ЭДС, индуктируемую этим полем в обмотке статора. Следовательно, нарушается электрическое равновесие на зажимах статора. Так образуется неуравновешенный избыток напряжения. Это вызывает увеличение силы тока в обмотке статора. Ток статора усиливает магнитное поле примерно до его прежней величины, и электрическое равновесие на зажимах статора восстанавливается.
Соотношение токов статора и ротора в асинхронном двигателе подобно соотношениям первичного и вторичного токов в трансформаторе. Ток статора является ненамагничивающим, а ток ротора – размагничивающим. Всякое изменение тока ротора вызывает пропорциональное изменение тока статора.
При пуске двигателя в ход вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью (угловой скоростью W:P) и индуктирует в ней значительную ЭДС. Эта ЭДС создает в короткозамкнутом роторе большой пусковой ток. Соответственно, и в обмотке статора возникает тоже значительный пусковой ток. Он больше рабочего тока двигателя примерно раз в семь. Пусковой толчок тока характерен для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
По мере того как скорость ротора возрастает. уменьшается индуктируемая в нем ЭДС, а вместе с ней уменьшаются токи ротора и статора. В конце пуска ненагруженного двигателя сила тока ротора должна быть такой, чтобы вращающий момент, развиваемый двигателем, покрывал все его механические потери от трений в подшипниках о воздух и т. д.
Если нагрузить уже вращающийся асинхронный двигатель, то механический тормозящий момент на валу двигателя сначала окажется дольше вращающего момента и ротор уменьшит скорость n2 /. Соответственно, возрастет разность скоростей n1 – n2 поля и ротора, т. е. увеличится скольжение.
Вращающееся поле будет пересекать ротор с относительно большой скоростью и индуктировать в роторе большую ЭДС. Возрастание ЭДС вызовет увеличение силы тока в роторе. Пропорционально силе тока возрастет вращающий момент и уравновесит тормозящий момент нагрузки на валу двигателя.Одновременно увеличение силы тока ротора вызовет соответствующее повышение силы тока статора, в результате чего возрастет и потребление мощности двигателем из сети. Таким образом, с увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает скольжение, силы тока статора и потребление мощности двигателем из сети.
Асинхронные электродвигатели (АД) находят в народном хозяйстве широкое применение. По разным данным до 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронным двигателем. Электрическую энергию в механическую энергию поступательного движения преобразуют линейные асинхронные электродвигатели, которые широко используются в электрической тяге, для выполнения технологических операций. Широкое применение АД связано с рядом их достоинств. Асинхронные двигатели - это самые простые в конструктивном отношении и в изготовлении, надежные и самые дешевые из всех типов электрических двигателей. Они не имеют щеточноколлекторного узла либо узла скользящего токосъема, что помимо высокой надежности обеспечивает минимальные эксплуатационные расходы. В зависимости от числа питающих фаз различают трехфазные и однофазные асинхронные двигатели. при определенных условиях может успешно выполнять свои функции и при питании от однофазной сети. АД широко применяются не только в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, но и в частном секторе, в быту, в домашних мастерских, на садовых участках. Однофазные асинхронные двигатели приводят во вращение стиральные машины, вентиляторы, небольшие деревообрабатывающие станки, электрические инструменты, насосы для подачи воды. Чаще всего для ремонта или создания механизмов и устройств промышленного изготовления или собственной конструкции применяют трехфазные АД. Причем в распоряжении конструктора может быть как трехфазная, так и однофазная сеть. Возникают проблемы расчета мощности и выбора двигателя для того или другого случая, выбора наиболее рациональной схемы управления асинхронным двигателем, расчета конденсаторов, обеспечивающих работу трехфазного асинхронного двигателя в однофазном режиме, выбора сечения и типа проводов, аппаратов управления и защиты. Такого рода практическим проблемам посвящена предлагаемая вниманию читателя книга. В книге приводится также описание устройства и принципа действия асинхронного двигателя, основные расчетные соотношения для двигателей в трехфазном и однофазном режимах.
Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей
1. Устройство трехфазных асинхронных двигателей
Трехфазный асинхронный двигатель (АД) традиционного исполнения, обеспечивающий вращательное движение, представляет собой электрическую машину, состоящую из двух основных частей: неподвижного статора и ротора, вращающегося на валу двигателя. Статор двигателя состоит из станины, в которую впрессовывают так называемое электромагнитное ядро статора, включающее магнитопровод и трехфазную распределенную обмотку статора. Назначение ядра - намагничивание машины или создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора состоит из тонких (от 0,28 до 1 Мм) изолированных друг от друга листов, штампованных из специальной электротехнической стали. В листах различают зубцовую зону и ярмо (рис. 1.а). Листы собирают и скрепляют таким образом, что в магнитопроводе формируются зубцы и пазы статора (рис. 1.б). Магнитопровод представляет собой малое магнитное сопротивление для магнитного потока, создаваемого обмоткой статора, и благодаря явлению намагничивания этот поток усиливает.
Рис. 1
В пазы магнитопровода укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Обмотка в простейшем случае состоит из трех фазных катушек, оси которых сдвинуты в пространстве по отношению друг к другу на 120°. Фазные катушки соединяют между собой по схемам звезда, либо треугольник (рис. 2).
Рис 2.
Более подробные сведения о схемах соединения и условных обозначениях начал и концов обмоток представлены ниже. Ротор двигателя состоит из магнитопровода, также набранного из штампованных листов стали, с выполненными в нем пазами, в которых располагается обмотка ротора. Различают два вида обмоток ротора: фазную и короткозамкнутую. Фазная обмотка аналогична обмотке статора, соединенной в звезду. Концы обмотки ротора соединяют вместе и изолируют, а начала присоединяют к контактным кольцам, располагающимся на валу двигателя. На контактные кольца, изолированные друг от друга и от вала двигателя и вращающиеся вместе с ротором, накладываются неподвижные щетки, к которым присоединяют внешние цепи. Это позволяет, изменяя сопротивление ротора, регулировать скорость вращения двигателя и ограничивать пусковые токи. Наибольшее применение получила короткозамкнутая обмотка типа «беличьей клетки». Обмотка ротора крупных двигателей включает латунные или медные стержни, которые вбивают в пазы, а по торцам устанавливают короткозамыкающие кольца, к которым припаивают или приваривают стержни. Для серийных АД малой и средней мощности обмотку ротора изготавливают путем литья под давлением алюминиевого сплава. При этом в пакете ротора 1 заодно отливаются стержни 2 и короткозамыкающие кольца 4 с крылышками вентиляторов для улучшения условий охлаждения двигателя, затем пакет напрессовывается на вал 3. (рис. 3). На разрезе, выполненном на этом рисунке, видны профили пазов, зубцов и стержней ротора.
Рис. 3.
Общий вид асинхронного двигателя серии 4А представлен на рис. 4 . Ротор 5 напрессовывается на вал 2 и устанавливается на подшипниках 1 и 11 в расточке статора в подшипниковых щитах 3 и 9, которые прикрепляются к торцам статора 6 с двух сторон. К свободному концу вала 2 присоединяют нагрузку. На другом конце вала укрепляют вентилятор 10 (двигатель закрытого обдуваемого исполнения), который закрывается колпаком 12. Вентилятор обеспечивает более интенсивное отведение тепла от двигателя для достижения соответствующей нагрузочной способности. Для лучшей теплоотдачи станину отливают с ребрами 13 практически по всей поверхности станины. Статор и ротор разделены воздушным зазором, который для машин небольшой мощности находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм. Для прикрепления двигателя к фундаменту, раме или непосредственно к приводимому в движение механизму на станине предусмотрены лапы 14 с отверстиями для крепления. Выпускаются также двигатели фланцевого исполнения. У таких машин на одном из подшипниковых щитов (обычно со стороны вала) выполняют фланец, обеспечивающий присоединение двигателя к рабочему механизму.
Рис. 4.
Выпускаются также двигатели, имеющие и лапы, и фланец. Установочные размеры двигателей (расстояние между отверстиями на лапах или фланцах), а также их высоты оси вращения нормируются. Высота оси вращения - это расстояние от плоскости, на которой расположен двигатель, до оси вращения вала ротора. Высоты осей вращения двигателей небольшой мощности: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100 мм.
2. Принцип действия трехфазных асинхронных двигателей
Выше отмечалось, что трехфазная обмотка статора служит для намагничивания машины или создания так называемого вращающегося магнитного поля двигателя. В основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон электромагнитной индукции. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники короткозамкнутой обмотки ротора, отчего в последних наводится электродвижущая сила, вызывающая в обмотке ротора протекание переменного тока. Ток ротора создает собственное магнитное поле, взаимодействие его с вращающимся магнитным полем статора приводит к вращению ротора вслед за полями. Наиболее наглядно идею работы асинхронного двигателя иллюстрирует простой опыт, который еще в XVIII веке демонстрировал французский академик Араго (рис. 5). Если подковообразный магнит вращать с постоянной скоростью вблизи металлического диска, свободно расположенного на оси, то диск начнет вращаться вслед за магнитом с некоторой скоростью, меньшей скорости вращения магнита.
Рис. 5. Опыт Араго, объясняющий
Это явление объясняется на основе закона электромагнитной индукции. При движении полюсов магнита около поверхности диска в контурах под полюсом наводится электродвижущая сила и появляются токи, которые создают магнитное поле диска. Читатель, которому трудно представить проводящие контуры в сплошном диске, может изобразить диск в виде колеса со множеством проводящих ток спиц, соединенных ободом и втулкой. Две спицы, а также соединяющие их сегменты обода и втулки и представляют собой элементарный контур. Поле диска сцепляется с полем полюсов вращающегося постоянного магнита, и диск увлекается собственным магнитным полем. Очевидно, наибольшая электродвижущая сила будет наводиться в контурах диска тогда, когда диск неподвижен, и напротив, наименьшая, когда близка к скорости вращения диска. Перейдя к реальному асинхронному двигателю отметим, что короткозамкнутую обмотку ротора можно уподобить диску, а обмотку статора с магнитопроводом - вращающемуся магниту. Однако вращение магнитного поля в неподвижном статоре а осуществляется благодаря трехфазной системе токов, которые протекают в трехфазной обмотке с пространственным сдвигом фаз.
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.
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.