Асинхронный двигатель | Строение и принцип работы асинхронного электродвигателя
Электрическими двигателями называют механизмы, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическое движение. Электромоторы сопровождают человека практически во всех сферах его деятельности. Без них невозможно представить современную жизнь. Несмотря на надежность и долговечность, все же случаются поломки и сбои в работе таких устройств. Знание характеристик, особенностей поможет правильно выбирать, обслуживать и при необходимости ремонтировать асинхронные двигатели.
В асинхронных двигателях переменного тока (АД) частота вращения ротора не синхронизирована с частотой магнитного поля, индуцируемого током обмотки статора. От этого принципа произошло определение этой группы электромашин. В синхронных электрических машинах частоты совпадают.
В настоящее время разработано и применяется множество различных разновидностей АД, которые различаются конструктивно и по характеристикам. Бывают однофазные, двухфазные, трехфазные, многофазные конструкции, которые работают от сети переменного тока. Различается количество полюсов. Применяются модификации с постоянной и переменной частотой тока, последние называются инверторными. По типу ротора различают 2 вида: фазные электродвигатели и с короткозамкнутым ротором. Асинхронные электрические моторы выгодно отличаются от других преобразователей энергии компактностью, долговечностью высоким КПД.
АД распространены очень широко, и являются самым популярным типом электромашин. Асинхронные электродвигатели используют в компрессорах, системах водоснабжения, отопления, кондиционирования, автомобилестроении. Особенно востребованы такие устройства в областях, где требуется точно выдерживать скорость вращения вала, например при производстве полимеров, стеклотканей, проволоки.
Относительно маломощные однофазные агрегаты работают в вентиляторах, маломощной бытовой технике. Более производительные двухфазные агрегаты популярнее, их применяют в приводах стиральных машин, холодильников, иных приборов.
Значительно шире используются трехфазные асинхронные электромашины, в первую очередь в промышленности. Ими оснащают электроприводы станков, подъемных кранов, лифтов, многого другого. Этому способствуют надежность и экономичность электродвигателей.
Как устроен АД
Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных узлов: неподвижного статора и вращающегося вокруг своей оси ротора. Статор представляет собой стандартную конструкцию, где сердечник выполнен как полый цилиндр, изготовленный из стальных пластин, изолированных друг от друга. В расположенных на внутренней окружности открытых пазах уложена первичная обмотка, на которую подается напряжение электрической сети.
Внутри статора расположен ротор, опирающийся на вал через подшипники. Сами подшипники с обеих сторон закрыты фиксирующими их крышками. Весь агрегат помещается в металлический корпус. У асинхронных двигателей средней и высокой мощности для более эффективного охлаждения в корпусе предусмотрены ребра, а также вентилятор на валу. Предусмотрена клеммная коробка, куда выводятся концы обмоток.
Ротор может быть двух типов: короткозамкнутым и фазным. Конструктивно они различаются, соответственно асинхронные двигатели принадлежат к одной из двух групп по типу ротора.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Конструкция такого ротора предельно проста. Сердечник выполнен из штампованных листов, а роль вторичной обмотки играет набор параллельных друг другу металлических стержней, торцы которых замкнуты между собой стальными кольцами. Механизм напоминает беличье колесо.
Обмотки статора расположены под углом 120°. Если подать на них переменное напряжение со сдвигом 120°, внутри возникает вращающееся магнитное поле. Если поместить эту самую беличью клетку внутрь вращающегося поля, его силовые линии будут пересекать проводники ротора, и наводить в них электродвижущую силу, а соответственно появятся токи. В результате там создается собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с вращающимся полем, входить с ним в «зацепление». Это означает, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле статора.
Частота вращения ротора всегда меньше, чем частота поля статора. Если он «догонит» частоту статора, ЭДС наводиться не будет, вращающий момент станет равным нулю, и электродвигатель перестанет работать. В этом эффекте и кроется смысл асинхронности. Относительная величина отставания, выраженная в условных единицах, называется скольжением. Этот параметр зависит от характеристик ротора, в том числе его сопротивления.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором не имеют подвижных контактов, их узлы проще, благодаря чему надежны и долговечны. Применяются в системах, не требующих регулировки скорости вращения, поскольку она затруднена, конструкция усложняется.
Асинхронный двигатель с фазным ротором
Фазный ротор по конструкции незначительно отличается от статора. Сердечник состоит из набора изолированных пластин, изготовленных из электростатической стали и закрепленных на вале. Между пластинами предусмотрены пазы, ориентированные вдоль продольной оси. В них укладываются витки вторичной обмотки, ее называют фазной. Число фаз обмоток статора и ротора должно быть одинаковым. Электрические цепи ротора подключается тремя контактными кольцами, на которых закреплены концы обмотки. Фазы соединяются звездочкой или треугольником. В двухполюсном асинхронном двигателе оси обмоток смещены друг относительно друга на 120°.
Предусмотрена возможность подключения дополнительного внешнего сопротивления для улучшения пусковых характеристик. Обычно используется реостат со ступенчатой регулировкой. Двигатель в такой конфигурации набирает обороты тоже ступенчато. При достижении оптимальных оборотов реостат отключается путем закорачивания токосъемных колец.
Особенности разных типов роторов
Электродвигатели с короткозамкнутыми роторами характеризуются следующими достоинствами:
- постоянная скорость, которая не зависит от изменения нагрузки;
- устойчивость к кратковременным механическим перегрузкам;
- простой пуск и подключение.
Отмечают более высокий КПД и легкую автоматизацию. В то же время данный тип электрических моторов имеет и недостатки, основной из которых — сложная регулировка скорости. Поэтому такая конструкция применяется в системах с постоянной скоростью вращения электродвигателя. Помимо этого, недостатками считают большой ток и недостаточное усилие при пуске.
Электромоторы с фазным ротором уступают короткозамкнутым по потерям мощности из-за более сложной конструкции. Их применяют при необходимости регулировки скорости, уменьшении пускового тока и увеличении крутящего момента в момент старта.
Способы подключения
Запуск электромотора должен происходить с минимальным скачком тока в обмотках. Для этого применяется 5 основных способов подключения:
- непосредственный — питание подается прямо на контакты электродвигателя через контактор или пускатель, когда падение напряжения не критично;
- снижение напряжения в течение времени старта;
- схема соединения обмоток статора переключается на треугольник со звезды;
- плавный запуск;
- изменение частоты напряжения сети.
Для однофазных версий используют расщепление полюсов, конденсаторный или резисторный пуск. Трехфазные электродвигатели запускаются или напрямую, переключением на треугольник, или посредством преобразователя напряжения, будь то реостат, трансформатор. Применяют изменение числа пар полюсов.
Как обеспечивается регулировка скорости
Регулировать частоту вращения асинхронного двигателя не так просто. Существуют 3 возможности. Можно изменить:
- частоту питающей сети;
- число пар полюсов;
- величину скольжения.
Чтобы изменить число пар полюсов нужно специальным образом заложить обмотку статора. Дальнейшие действия заключаются в возможности переключаться на одну, две или три пары полюсов. Такое переключение будет ступенчатым. Соответственно, дискретно будет меняться и частота вращения ротора асинхронного двигателя. В многополюсных обмотках статора частота выше.
Второй способ — изменить скольжение. Его величина зависит, в том числе, и от сопротивления. Для этого ротор оснащают обмотками и делают выводы через кольца. Появляется скользящий контакт, надежность уменьшается. Но помощью реостата или ступенчатого переключения можно вводить дополнительное сопротивление в ротор и плавно, либо дискретно, изменять величину скольжения. Посредством этого действия появляется возможность регулировать частоту вращения асинхронных двигателей.
Однако эти способы не очень экономичны или неудобны. С развитием силовой электроники появился третий, самый действенный способ — изменять частоту питающей сети, для чего служат частотные преобразователи. При плавном изменении частоты питающего тока можно получить непрерывный ряд частот магнитного поля статора асинхронного двигателя в определенном диапазоне, а значит так же плавно изменять скорость вращения вала. Силовая электроника дала АД новый толчок в развитии, их доля превышает 80% всех электродвигателей в мире.
Как обеспечивается высокий пусковой момент
Одним из достоинств асинхронного двигателя с фазным ротором является высокий пусковой момент, тогда как короткозамкнутые роторы такого преимущества не обеспечивают. Об этом говорит его механическая характеристика. В момент пуска токи достигают 5 –7 значений номинальной величины, а произведение силы тока на магнитный поток и дает момент вращения.
Если представить, что ротор конструктивно устроен в виде двух беличьих колес разного диаметра, вставленных друг в друга, то в момент пуска первоначальный момент будет приложен к внешнему колесу большего диаметра. Происходит это из-за явления вытеснения тока на высокой частоте, он называется скин-эффект. При двыхполюсной катушке, частоте сети 50 Гц, магнитное поле ротора развивает угловую скорость 3 тыс. об/мин. Скин-слой при этом составляет 9 мм. В многополюсных машинах этот слой больше. Поэтому, при пуске ток вытесняется наружу, и за счет более длинного рычага возрастает момент. Когда электрическая машина набирает номинальные обороты и переходит в двигательный режим, скин-эффект нивелируется. С ростом частоты вращения ротора падает частота индукции в обмотке. Тогда ток идет уже по внутренней части. По этому принципу и обеспечивается высокая тяга на пуске.
В реальной практике в асинхронных двигателях с повышенным пусковым моментом скин-эффект обеспечивается за счет формирования глубокого паза в фазном роторе. Ток распределяется в разные моменты времени по глубине паза в разных областях. При пуске ток концентрируются во внешней части, потом когда двигатель раскручивается, скин-эффект исчезает. Ток перераспределяется в глубину паза, рабочий вращающий момент становится меньше. Это означает, что в устоявшемся двигательном режиме АД значительно экономичнее, частые старты повышают затраты.
Асинхронный преобразователь энергии как генератор
Генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию. Если вращать ротор асинхронного двигателя и достигнуть частоты вращения поля статора, ток перестанет наводиться, и вращающий момент не будет создаваться. Если приложить внешнюю силу и продолжить вращать этот ротор по направлению поля с еще более высокой частотой вращения, в роторе начнет вновь начнет наводиться ЭДС, но противоположного направления. Электрический ток будет идти в другую сторону, не как в двигательном режиме. Эти токи будут наводить противоЭДС в обмотке статора. В ней будет создаваться ток. Такая конструкция является асинхронным генератором.
Если асинхронный двигатель включить в сеть, а потом начать вращать его ротор быстрее, чем частота поля статора в том же направлении, то возникнет генерация в сеть. При этом асинхронный двигатель будет потреблять из сети реактивную энергию для создания магнитного поля, а выдавать активную энергию. Пример — знаменитые электромобили «Tesla» первого поколения. Их оснащали современным инновационным асинхронным преобразователем энергии. Он работал как в режиме двигателя на разгоне, так и в режиме генератора при рекуперативном торможении, когда электроэнергия через инвертор поступает на зарядку батареи.
Асинхронные генераторы принадлежат к группе приборов, вырабатывающих переменный ток разной частоты. В схему включают инвертор, где ток преобразуется в постоянный. Затем снова в переменный, но уже с точно заданной частотой сети — 50 герц.
Преимущества и недостатки асинхронных двигателей
АД, благодаря своим качествам, снискали высокую популярность. К несомненным преимуществам таких устройств относят:
- простую и отработанную конструкцию;
- низкие затраты в эксплуатации: себестоимость единицы мощности в асинхронных двигателях самая низкая;
- надежность, простоту обслуживания, чему способствует отсутствие щеток
- невысокую стоимость.
Благодаря сдвигу фаз не требуются дополнительные устройства и преобразователи для формирования крутящего момента. Не последнюю роль играют малые потери. КПД при работе с максимальной нагрузкой может достигать 97 % благодаря минимальному количеству узлов.
Как и всем устройствам, асинхронным преобразователям присущи недостатки. Среди них:
- затрудненное регулирование скорости вращения вала, узкий диапазон изменения.
- высокие токи при пуске, что может привести к скачкам напряжения в сети.
- инерционность ротора в момент старта: асинхронный двигатель может не запуститься, если приводит массивный агрегат.
- зависимость от параметров сети.
Современные механические и электротехнические конструктивные решения почти полностью нивелируют эти недостатки.
И все же, несмотря на все достоинства, ресурс асинхронных электрических моторов не вечен. Бывают проскальзывания ротора относительно вала, замыкания обмоток, обрывы, повреждения корпуса, износ подшипников, другие неисправности. Все это проявляет себя падением мощности, посторонними звуками и запахами, а то и полным отказом. Приобретать новый агрегат бывает накладно, да и не всегда имеет смысл. В подавляющем большинстве случаев рациональнее устранить неисправность и продолжить эксплуатацию электрического двигателя.
Ремонтом электромоторов любого типа и мощности в Санкт- Петербурге занимается компания «Хельд Вэй». Оперативно и качественно выполняются все работы по восстановлению работоспособности электромоторов независимо от сложности. Каждая отремонтированная электрическая машина проходит испытания, чтобы убедиться в соответствии параметров требованиям к новому агрегату.
На работу предоставляются скидки, гарантии. Текущий ремонт возможен по месту эксплуатации, с выездом мастеров. Капитальный и ремонт средней степени производятся на территории предприятия. Имеются запчасти и комплектующие.
Звоните, обращайтесь.
Виды и принцип работы асинхронных электродвигателей – статьи от ООО ИЦ «Станкосервис»
Содержание статьи:
- Особенности
- Преимущества и недостатки асинхронного двигателя
- Типы асинхронных двигателей
- Особенности эксплуатации
- Какой асинхронный двигатель выбрать?
Для преобразования электроэнергии при изготовлении электротехнических устройств чаще всего используют асинхронные двигатели — электроприборы с вращающимся ротором. Особенность такого двигателя — это отличие скоростей, с которыми вращаются ротор и статорное магнитное поле. Узнайте, из чего состоит асинхронный двигатель, каких видов бывает, где используется и как его выбрать.
Особенности
Компоненты устройства — сердечник, статор, 1-3 обмотки, ротор, преобразующий электрическую энергию в механическую. Мотор вырабатывает переменный магнитный ток в результате хода магнитного поля статора. Как следствие, мотор вращается в сторону движения магнитного поля.
Преимущества и недостатки асинхронного двигателя
Сильные стороны таких агрегатов — надежность, прочность, хорошее охлаждение. Их применяют в мощных промышленных установках, используют в быту. Если моторы простаивают, они сохраняют стойкость к скачкам напряжения. Их просто обслуживать. Есть наряду с преимуществами недостатки асинхронных двигателей — это квадратичная реакция на колебания напряжения в электросети, а также небольшой пусковой момент.
Типы асинхронных двигателей
Однофазные
С одной обмоткой. Питаются и от стандартной сети. Вращаются под воздействием однофазного тока. На статоре оснащены второй обмоткой. Подходят для вентиляторов низкой мощности.
Двухфазные
Функционируют на переменном токе. С парой обмоток, с фазосдвигающим конденсатором. Могут вращаться на высокой скорости. Устанавливаются в корпусах бытовой техники.
Трехфазные
С тремя обмотками, установленными со смещением по 120 градусов. Не боятся перегрузок, но у них сложно регулировать скорость оборотов.
Такие моторы применяют в циркулярных пилах, станках для сверления, кранах. Бывают трехфазные агрегаты с фазным и с короткозамкнутым ротором.
С короткозамкнутым или фазным ротором
Короткозамкнутый | Фазный | |
Преимущества |
|
|
Недостатки |
|
|
С массивным ротором
Весь он из ферромагнитного материала, служит проводником магнитного поля и электрического импульса взамен обмотки.
Особенности эксплуатации
Любые моторы такого типа:
- относительно недорогие,
- малозатратные,
- могут работать без преобразователей при питании от сети (для нагрузок, при которых не нужно регулировать скорость),
- не требуют дополнительного источника питания.
К недостаткам асинхронных моторов относятся:
- Небольшой пусковой момент.
- Большие значения пускового тока.
- Отсутствие возможности регулировать скорость сетевом питании.
- Ограничение предельной частотными характеристиками сети.
- Зависимость от сетевых напряжений.
- Невысокий коэффициент мощности.
Упомянутые недостатки нивелирует подсоединение асинхронного двигателя от статического частотного преобразователя наряду с нормированной эксплуатацией электротехники.
Чтобы не сокращался КПД, необходимо правильно пользоваться асинхронным двигателем:
- стабильно загружать его минимум на 75%,
- повышать коэффициент мощности,
- следить за напряжением, частотой тока.
Работая с асинхронными двигателями, следует применять:
- Частотные преобразователи — они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.
- Устройства плавного пуска — они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение.
Какой асинхронный двигатель выбрать?
Мотор для оборудования нужно выбирать в зависимости от специфики его применения:
- Для вентиляторов и насосов низкой мощности подходит однофазная модель.
- Для бытовой техники и некоторых агрегатов — двухфазная.
- Для производственного оборудования вроде веялки, домового лифта комбайна — трехфазная. Она устойчива к перегрузкам, но со сложной регулировкой скорости.
Заказать асинхронные электродвигатели различных типоразмеров вы можете в компании «Станкосервис». Чтобы получить консультацию по выбору оборудования или оформить заказ, обращайтесь по телефону +7 (4812) 24-41-02 или электронной почте info@cnc360. ru.
Конструкция асинхронного двигателя Обзор и подробное описание функции
Конструкция трехфазного асинхронного двигателя переменного токаТрехфазный асинхронный двигатель переменного тока также называют асинхронным двигателем, поскольку асинхронные двигатели работают по принципу индукции. Асинхронный двигатель укорочен с помощью ASM или IM. В моторном режиме ротор асинхронного двигателя вращается медленнее, чем магнитное вращающееся поле статора, то есть асинхронно со статором. Разница между скоростью вращения статора и скоростью вращения ротора также называется скольжением. Когда скорость ротора равна скорости статора, скольжение равно нулю и асинхронный двигатель не обеспечивает положительного крутящего момента. В генераторном режиме ротор вращается быстрее, чем вращающееся поле от статора. Разница скоростей создает отрицательный крутящий момент, который пытается замедлить ротор. Асинхронные двигатели, работающие напрямую от двухфазного переменного тока или трехфазного трехфазного тока без инвертора, имеют меньший КПД, чем синхронные двигатели с постоянными магнитами. Однако 3-фазные асинхронные двигатели переменного тока, работающие с инвертором, могут достигать такого же высокого КПД.
Конструкция трехфазного асинхронного двигателя переменного тока
Существует два различных типа асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и контактным кольцом. Структура статора одинакова для обоих и аналогична структуре синхронного двигателя. Для проведения магнитного потока в электродвигателе статор и ротор состоят из нескольких слоев электротехнического листа, толщина которого обычно составляет 0,5 мм. Чем тоньше выполнен электротехнический лист, тем меньше потери на вихревые токи в электродвигателе и выше его КПД. Статор несет обмотки, по которым протекает трехфазный ток. Обычно статор имеет три фазы двигателя, которые можно соединить звездой или треугольником. Однако есть двигатели и с большим, и с меньшим количеством фаз, что зависит в первую очередь от предполагаемого использования и напряжения питания. Ротор содержит короткозамкнутые токопроводящие стержни или обмотки в зависимости от типа асинхронного двигателя.
Видео об асинхронных двигателях
Воспроизвести видео о работе асинхронного двигателя переменного тока
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым роторомРотор асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором состоит из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором клетка из стержней, которые изготовлены из алюминия или меди. Стержни закорочены на верхнем и нижнем концах кольцами из того же материала. Чаще всего используется ротор с короткозамкнутым ротором, поскольку он не имеет контактных колец и, следовательно, имеет более длительный срок службы. Кроме того, производство ротора намного дешевле.
Асинхронный двигатель с ротором с контактными кольцами
Ротор с контактными кольцами состоит из обмоток вместо стержней. Обмотки не закорочены в роторе, а выведены наружу через токосъемные кольца и закорочены через дополнительные резисторы. Протекание тока в роторе можно контролировать с помощью резисторов снаружи электродвигателя.
Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока с ротором с контактными кольцамиТрехфазный асинхронный двигатель переменного тока Функция
Вращающееся магнитное поле создается трехфазным током в обмотках статора. Вращающееся магнитное поле от статора также проходит через воздушный зазор через ротор. Если существует разница скоростей между скоростью вращения ротора и скоростью вращения статора, в токопроводящих стержнях ротора вращающимся магнитным полем индуцируется напряжение. Поскольку стержни проводника закорочены друг на друга на нижнем и верхнем концах, индуцированное напряжение генерирует ток в стержнях. Ток короткого замыкания в стержнях сам по себе создает магнитное поле в роторе, которое следует за магнитным полем статора. В отличие от синхронных двигателей с постоянными магнитами магнитное поле ротора не стационарно, а вращается поперек ротора. Когда ротор вращается с той же скоростью, что и статор, в токопроводящих стержнях больше не индуцируется ток и, следовательно, больше не создается крутящий момент. В случае короткого замыкания статора ротор больше не индуцирует напряжение. Это делает асинхронный двигатель очень безопасным электродвигателем, и именно поэтому крупные производители автомобилей, такие как Tesla и Audi, например, используют асинхронный двигатель в своих электромобилях.
Преимущества и недостатки
Ознакомьтесь с преимуществами и недостатками асинхронных двигателей с ротором с контактными кольцами и короткозамкнутым ротором с инвертором и без него.
Преимущества и недостатки трехфазного асинхронного двигателя переменного токаРотор с контактными кольцами IM
Основным преимуществом асинхронного двигателя с контактными кольцами является более высокий крутящий момент в более низком диапазоне скоростей и более низкий пусковой ток. Однако дополнительные затраты на токосъемные кольца, а также на изготовление ротора с обмотками значительны. Поэтому сегодня ротор с контактными кольцами используется только для очень больших электродвигателей, где инвертор был бы слишком дорогим.
IM с короткозамкнутым ротором без инвертора
Основным преимуществом асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются низкие производственные затраты на ротор по сравнению с короткозамкнутым синхронным двигателем с постоянными магнитами. Асинхронный двигатель очень устойчив к высоким температурам. Вам не нужно беспокоиться о размагничивании магнитов, как в случае с PMSM. Основным недостатком является низкий пусковой момент и низкий КПД, если не использовать инвертор.
Беличья клетка IM с инвертором
С инвертором асинхронный двигатель может достигать такого же высокого КПД, как и СДПМ на высоких скоростях. Пиковая мощность и пиковый крутящий момент также очень хороши, так как вам не нужно беспокоиться о размагничивании магнитов. Непрерывная мощность может быть проблемой, если генерируемое тепло в роторе не может быть отведено должным образом.
Почему асинхронный двигатель называется асинхронным двигателем?
Перейти к содержимомуЧто такое единицы измерения энергии? Что такое единицы измерения мощности? Что такое единицы измерения труда? Что такое единицы измерения тепла?
Асинхронный двигатель называется асинхронным двигателем, потому что фактическая скорость двигателя не равна синхронной скорости двигателя. Синхронная скорость двигателя всегда больше фактической скорости двигателя. Если фактическая скорость двигателя (N) равна синхронной скорости (Ns), то крутящий момент не создается и функция двигателя невозможна.
Вот почему асинхронный двигатель называется асинхронным. Разберемся, что такое синхронная скорость двигателя? Синхронная скорость — это скорость вращающегося магнитного поля, которое создается при подаче трехфазного питания на статор двигателя. Проводники ротора асинхронного двигателя закорочены на концевых кольцах. Магнитное поле действует на ротор. Когда магнитное поле соединяется с проводником ротора, в проводнике ротора индуцируется напряжение. В основе лежит принцип электромагнитной индукции, аналогичный трансформатору.
Однако, если вращающееся магнитное поле и ротор вращаются с одинаковой синхронной скоростью, ЭДС, индуцированная в роторе, равна нулю, поскольку поле будет постоянным по отношению к ротору.