≫ Асинхронный двигатель: зачем нужен, принцип работы, конструкция

Асинхронный двигатель – это простое и надежное устройство, способное электрическую энергию преобразовать в механическую. Его изобрел инженер Доливо-Добровольский в конце 19 века. Интерес разработчиков различного оборудования и аппаратуры к этому устройству постоянно возрастает, поэтому в статье мы рассмотрим не только, что такое асинхронный двигатель, но и как он работает, из чего состоит и какими достоинствами обладает.

Асинхронный двигатель: конструкция

Конструкция устройства достаточно проста. Основные части асинхронного двигателя следующие:

• Статор, имеющий форму цилиндра. Он собирается из листов стали. В его сердечнике есть пазы, смещенные друг к дружке на 120°. В них укладывается обмотка.
• Ротор. Бывает короткозамкнутым или фазным. В первом случае ротором служит сердечник, в котором стержни из алюминия закорочены торцевыми уплотнителями. Фазный ротор состоит из 3-х фазной обмотки.   Устройство с фазным ротором всегда трехфазное, а с короткозамкнутым ротором выделяют 3 вида асинхронных двигателей – одно-, двух- и трехфазные.
• Конструктивные элементы. Это детали, которые в конструкции асинхронного двигателя отвечают за выполнение вращательных, охлаждающих и защитных функций.

Схематическое изображение конструкции асинхронного двигателя можно найти в сети Интернет.

Что значит асинхронный двигатель и его принцип действия 

Асинхронный – это тот, у которого в работе отсутствует синхронность, у которого при старте статическая и подвижная части при вращении имеют разную частоту магнитного потока. Этот показатель у подвижного элемента меньше, чем у неподвижного.

Рассмотрим принцип работы асинхронного двигателя на примере: достаточно взять постоянный магнит и начать его вращать вокруг своей оси на небольшом расстоянии от диска из меди. Очень скоро диск начинает вращение, следуя за магнитом. Такое поведение диска объясняется тем, что из-за вращающегося вблизи магнита в нем появляются токи Фуко, которые двигаются по замкнутому контуру.

Это токи короткого замыкания, нагревающие металлическую конструкцию. В диске возникает собственный магнитный поток, который начинает взаимодействовать с полем магнита.

В асинхронном электромоторе источником вращающего поля выступают обмотки статора. Под действием образованного обмотками магнитного потока в проводниках вращающегося элемента формируется электродвижущая сила. Когда магнитный поток статора начинает взаимодействовать с индуцируемым током в обмотке вращающейся части, появляется электромагнитная сила. Она и начинает вращать вал электродвигателя.

Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель, представим происходящие в нем действия пошагово:

1. Двигатель запускается, и магнитный поток неподвижной части пересекает контур вращающегося элемента, формируя электродвижущую силу.
2. В короткозамкнутом роторе образуется переменный ток.
3. Под действием магнитных потоков неподвижной и вращающейся части образуется крутящий момент.
4. Вращающийся элемент стремится к полю неподвижной части.
5. В определенный момент у неподвижной и вращающейся части двигателя совпадает частота вращения магнитного потока, тогда крутящий момент равен 0, что приводит к затуханию электромагнитных проявлений во вращающемся элементе двигателя.
6. Контур ротора начинает отставать, магнитный поток статора начинает его возбуждать.

Медлительность ротора в сравнении с магнитным полем статора и обеспечивает несинхронную работу электродвигателя.

Формирование тока в роторе происходит бесконтактно, поэтому не нужно устанавливать в устройстве скользящие контакты. Эта особенность электродвигателя делает его более эффективным и надежным. Изменить направление вращения мотора можно, поменяв фазы на клеммах одной из обмоток. Направление электромагнитной силы можно определить по «правилу буравчика».

Достоинства устройства

Главными достоинствами асинхронных двигателей является простота их конструкции и легкость использования. Также устройство характеризует:

• Надежность и долговечность. Из-за бесконтактного взаимодействия между основными деталями устройства оно редко ломается и не изнашивается;
• Доступная цена. Простая конструкция и недорогое сырье для производства электродвигателей обеспечивает низкую стоимость оборудования;
• Простой принцип использования. Для работы с асинхронным двигателем не нужно обладать специальными навыками.
• Универсальность. Электродвигатель асинхронного типа устанавливается практически в любое оборудование.

Эти преимущества объясняют широкое применение асинхронных двигателей во всех отраслях промышленности и сферах человеческой жизни.

Лекция №9 — Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

 

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называютсяэлектродвигателями переменного тока.

В промышленности наибольшее распространение получилиасинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

 

Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственноемагнитное поле — поле цилиндра.

Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле: 

s = (n — n1) / n.

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не являетсяэлектродвигателем. Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского

 

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемогостатором электродвигателя, помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.

Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемыйротором электродвигателя.

Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.

На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.

Рассмотрим — подробнее этот процесс.

 

Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля

В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.

Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.

В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.

Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).

При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».

Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.

Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.

Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки. В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.

Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет созданочетырехполюсное вращающееся магнитное поле. При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.

При частоте трехфазного тока f, равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:

при двухполюсном статоре n = (50 х 60) / 1 = 3000 об/мин,

при четырехполюсном статоре n = (50 х 60) / 2 = 1500 об/мин,

при шестиполюсном статоре n = (50 х 60) / 3 = 1000 об/мин,

при числе пар полюсов статора, равном p: n = (f х 60) / p,

Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.

Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.

Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 — 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.

 

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей 

Асинхронный электродвигатель в разобранном виде: а) статор; б) ротор в короткозамкнутом исполнении; в) ротор в фазном исполнении (1 — станина; 2 — сердечник из штампованных стальных листов; 3 — обмотка; 4 — вал; 5 — контактные кольца)

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой. 

 

 

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.

В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются. 

В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

 

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:

1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.

2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».

Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».

Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».

Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

 

Типы асинхронных электродвигателей

Основной тип асинхронных машин — трехфазный асинхронный двигатель. Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединяются в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.

Двигатели малой мощности в большинстве случаев выполняются какдвухфазные. В отличие от трехфазных двигателей они имеют на статоре две обмотки, токи в которых для создания вращающегося магнитного поля должны быть сдвинуты на угол π/2.  

Если токи в обмотках равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, то работа подобного двигателя ничем не будет отличаться от работы трехфазного. Однако такие двигатели с двумя обмотками на статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети и сдвиг, приближающийся к 90°, создается искусственным путем, обычно за счет конденсаторов.

Однофазный двигатель, имеющий только одну обмотку на статоре, практически неработоспособен. При неподвижном роторе в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле и вращающий момент равен нулю. Правда, если ротор такой машины раскрутить до некоторой скорости, то далее она может выполнять функции двигателя. 

В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но оно слагается из двух симметричных — прямого и обратного, которые создают неравные моменты — больший двигательный и меньший тормозной, возникающий за счет токов ротора повышенной частоты (скольжение относительно обратносинхронного поля больше 1).

В связи с изложенным однофазные двигатели снабжаются второй обмоткой, которая используется как пусковая. В цепь этой обмотки для создания фазового сдвига тока включают конденсаторы, емкость которых может быть достаточно велика (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт). 

В системах управления используются двухфазные двигатели, которые иногда называют исполнительными. Они имеют две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, непосредственно подключается к сети 50 или 400 Гц. Вторая используется как обмотка управления.

Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего момента ток в обмотке управления должен быть сдвинут на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется изменением значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс обеспечивается изменением фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключением обмотки).  

Двухфазные двигатели изготовляются в нескольких исполнениях:

• с короткозамкнутым ротором,

• с полым немагнитным ротором,

• с полым магнитным ротором.

Линейные двигатели

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение органов рабочей машины всегда связано с необходимостью использования каких-либо механических узлов: зубчатых реек, винта и др. Поэтому иногда целесообразно выполнение двигателя с линейным перемещением ротора-бегунка (название ’’ротор” при этом может быть принято только условно — как движущегося органа). 

В этом случае двигатель, как говорят, может быть развернут. Обмотка статора линейного двигателя выполняется так же, как и у объемного двигателя, но только должна быть заложена в пазы на всю длину максимального возможного перемещения ротора-бегунка. Ротор-бегунок обычно короткозамкнутый, с ним сочленяется рабочий орган механизма. На концах статора, естественно, должны находиться ограничители, препятствующие уходу ротора за рабочие пределы пути.

 

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели используют короткозамкнутые петли на вращающемся якоре. и получить их крутящий момент от токов, наведенных в эти петли изменяющимся магнитным полем произведено в статор (стационарный) катушки. В показанный момент ток в обмотке статора течет в указанном направлении и увеличивается. Наведенное напряжение в катушке показано управляет током и приводит к крутящий момент по часовой стрелке. Обратите внимание, что этот упрощенный двигатель будет вращаться после того, как будет запущен в движение, но не имеет пускового момента. Различные методы используются для создания некоторой асимметрии в полях, чтобы дать двигателю пусковой момент. Простой асинхронный двигатель

Индекс Концепции магнитной силы

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Действие асинхронного двигателя связано с индуцированными токами в катушках вращающегося якоря. Это активная графика. Нажмите на жирный текст для получения дополнительной информации.	Индекс Концепции магнитной силы
Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица	Назад

Большой процент небольших двигателей переменного тока классифицируется как асинхронные двигатели. Это означает, что на вращающиеся катушки не подается ток. Эти катушки представляют собой замкнутые контуры, в которых индуцируются большие токи из-за их низкого сопротивления. Асинхронный двигатель должен создавать вращающееся магнитное поле, чтобы продолжать создавать крутящий момент на обмотках якоря. В этом примере вращающееся поле создается дополнительными катушками на полюсных наконечниках. Подробнее Принцип работы асинхронного двигателя

Индекс Концепции магнитной силы

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Принцип асинхронного двигателя	Индекс Концепции магнитной силы
Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица	Вернуться назад

Основы двигателей — Основные принципы — Асинхронные двигатели переменного тока — Часть 2

Понимание основ электродвигателей жизненно важно для возможности выбора правильного двигателя для правильного применения. В этой статье мы рассмотрим принципы работы постоянного и переменного тока и простой работы двигателя.

 

Асинхронные двигатели переменного тока

В вентиляторах Woods Air Movements чаще всего используются асинхронные двигатели переменного тока. Они могут работать непосредственно от электросети, они надежны, требуют минимального обслуживания и относительно недороги.

 

В трехфазном асинхронном двигателе переменного тока катушки изолированного провода находятся в пазах статора, расположенных в корпусе. Эти катушки сконфигурированы так, чтобы обеспечить набор электромагнитных полюсов для каждой из трех электрических фаз (U, V и W) при подаче питания.

 

На рис. 1 показан двигатель, обмотки которого расположены так, чтобы обеспечить пару полюсов для каждой фазы (обозначены U1 и U2, V1 и V2, W1 и W2). Поскольку на каждую фазу приходится два полюса, это описывается как двухполюсная конфигурация; если бы для каждой фазы было две пары полюсов, это была бы 4-полюсная конфигурация — и так далее.

 

Когда катушки в статоре подключены к источнику переменного тока, будет протекать электрический ток и создавать магнитное поле — катушки намотаны так, что полюса в каждой паре имеют противоположную полярность.

Рисунок 1. Циклическое вращающееся магнитное поле в трехфазном асинхронном двигателе переменного тока

 

Циклический характер формы волны переменного тока приводит к тому, что магнитное поле вращается вокруг центральной оси статора с двумя северными и двумя южными полюсами. в любое время. Скорость этого вращения определяется количеством пар полюсов и частотой электропитания (либо 50 Гц, либо 60 Гц — см. «Основы двигателей, часть первая»).

 

При наличии одной пары полюсов магнитное поле вращается один раз за электрический цикл; где есть две пары, магнитное поле совершает один оборот за два цикла, а там, где есть три пары, оно вращается один раз за три цикла.

Основное уравнение для установления синхронной скорости заключается следующее:

Синхронная скорость (Rev/Min) = 2 x Частота питания (Гц) x 60

Количество поля для каждой фазы

9

666.

Таким образом, если бы двигатель на рис. 1 работал от сети с частотой 50 Гц, синхронная скорость была бы:

 

2 x 50 x 60 = 3000 об/мин

        2

 

Таким образом, видно, что чем больше число полюсов, тем медленнее будет синхронная скорость, поэтому двигатель с 12 полюсами на фазу будет иметь синхронную скорость всего 500 об/мин.

 

Ротор

Наряду со статором наиболее важной частью асинхронного двигателя переменного тока является ротор. Он состоит из стержней ротора, обычно изготовленных из алюминия или меди, которые на своих концах соединены с кольцами из того же материала. Иногда его называют ротором с «беличьей клеткой» (см. рис. 2).

 

Поскольку Ротор расположен во вращающемся магнитном поле Статора, возникающие линии магнитного потока разрезают стержни Ротора и индуцируют напряжение в Роторе. Это, в свою очередь, приведет к протеканию электрического тока по стержням ротора (обозначенному на рис. 2 красными стрелками), который создаст собственное магнитное поле вокруг стержней ротора. Это магнитное поле взаимодействует с магнитным полем статора, создавая силу на стержнях ротора, заставляя ротор вращаться вокруг своей оси.

Рисунок 2: Ротор с «беличьей клеткой»

 

Поскольку напряжение в стержнях ротора создается магнитным полем в статоре, прорезающем стержни ротора, если ротор вращается с синхронной скоростью, не будет относительное движение между стержнями ротора и магнитным полем статора, в результате чего в стержнях ротора не индуцируется напряжение.

 

Если к ротору приложить нагрузку, он начнет замедляться и, следовательно, начнет взаимодействовать с магнитным полем статора, и будет создаваться крутящий момент, как показано на рис. 2. нагрузка, приложенная к ротору.

 

Синхронная скорость зависит от частоты электропитания и конфигурации обмотки статора (количества полюсов). Разница между синхронной скоростью и скоростью ротора известна как скольжение; это выражается в процентах от синхронной скорости и может быть рассчитано по уравнению:

 

Скольжение = Синхронная скорость – скорость ротора

                                 Синхронная скорость0174

На рис. 3 показана конструкция типичного ротора. Стержни ротора обычно помещаются в пазы стального сердечника для усиления магнитного поля ротора. Стержни ротора обычно наклонены так, что они не совпадают с обмотками статора, что снижает электромагнитный шум и обеспечивает более плавную передачу крутящего момента.

Рисунок 3: Типовая конструкция ротора

 

Сердечник состоит из стальных пластин, сложенных вместе, в то время как стержни ротора и торцевые кольца обычно изготавливаются путем заливки расплавленного алюминия в форму или форму, окружающую пакет пластин ротора. Этот расплавленный алюминий протекает через прорези в блоке ротора, образуя стержни ротора. Между стержнями ротора и стальным сердечником нет изоляции, поскольку индуцированное напряжение низкое.

Рисунок 4. Компоненты асинхронного двигателя переменного тока общего назначения

 

Однофазные асинхронные двигатели переменного тока

Статор, сконфигурированный для однофазного питания, не сможет инициировать вращение стационарного ротора, потому что его магнитное поле будет просто переключаться между полярностями.