Асинхронные электродвигатели. Виды и устройство. Работа

Асинхронные электродвигатели были изобретены в 1889 году. В настоящее время выпускается большой спектр электрических двигателей. Из них наибольшую популярность приобрел электродвигатель асинхронного типа, трехфазный. Половина всей электроэнергии в мире расходуется такими электродвигателями. Они нашли широкое использование во многих отраслях промышленности, в быту, электроинструменте, так как имеет невысокую стоимость, повышенную надежность, простое обслуживание и эксплуатацию.

Область использования таких электромашин становиться все шире, так как их конструкция совершенствуется. В переводе с английского такой электродвигатель называют индукционным. И это легко объяснить, так как это вид моторов, в котором явление индукции применяется для создания полюсов, другими словами, применяются наводки для образования движущей силы. Особенностью асинхронных двигателей является отличие частоты поля от скорости вращения вала. В других типах двигателей используются постоянные магниты, обмотки и т.д.

Устройство

Асинхронные электродвигатели состоят из:

• Ротора.
• Статора.

 

Статор, состоит из основных частей:

• Корпус. Служит для образования соединений деталей мотора. При малом размере мотора корпус цельнолитой. Материал изготовления – чугун. Могут использоваться сплавы алюминия, либо сталь. Часто в небольших двигателях функцию сердечника выполняет корпус. В больших моторах со значительной мощностью корпус имеет сварную конструкцию.
• Сердечник. Эта деталь запрессована в корпус, и предназначена для повышения магнитной индукции, изготовлена из электротехнической стали в виде пластин. Для уменьшения потерь, возникающих при вихревых токах, сердечник покрывается лаком.
• Обмотка. Она расположена в пазах сердечника. Для ее намотки применяется медная проволока, секциями, соединенными между собой по определенной схеме. Витки образуют 3 катушки, которые по сути дела играют роль обмотки статора. Эта обмотка первичная, непосредственно к ней подключается питание.

Ротор:

• Ротор – элемент двигателя, находящийся во вращении, предназначен для трансформации магнитного поля в энергию движения, состоит из частей:
• Вал. Подшипники вала находятся на его хвостовиках. При сборке двигателя подшипники запрессовываются, фиксируются болтами к крышкам корпуса.
• Сердечник. Его сборку производят на валу двигателя. Он состоит из металлических пластин электротехнической стали, которая обладает свойством малого сопротивления магнитному полю. Форма сердечника в виде цилиндра используется для укладки катушки якоря, которая называется вторичной. Она получает энергию от магнитного поля, появляющегося вокруг обмоток статора при подаче питания.

Классификация по типу ротора

С короткозамкнутым ротором.

Такой тип двигателя оснащен обмоткой в виде алюминиевых стержней, расположенных в пазах сердечника. На торце ротора они замыкаются между собой кольцами.

• С ротором, оснащенным контактными кольцами.

Оба типа моторов имеют схожую конструкцию статора. Разница состоит лишь в конструкции якоря.

Классификация по числу фаз

Асинхронные электродвигатели трехфазные являются основными типами моторов. Они оснащены 3-мя обмотками на статоре, смещены на 120 градусов, соединены между собой треугольником, либо звездой, получают питание от трех фаз переменного тока.

Асинхронные электродвигатели небольшой мощности чаще всего изготавливаются двухфазными. Они отличаются от 3-фазных моторов оснащением 2-мя обмотками на статоре, которые смещены между собой на угол 90 градусов.

В случае равенства токов по модулю, и их сдвигу по фазе на 90 градусов, действие мотора не будет иметь отличия от 3-фазного двигателя. Но такие типы двигателей чаще подключаются от однофазной сети, а искусственный сдвиг на 90 градусов образуется за счет конденсаторов.

Асинхронные электродвигатели однофазные оснащаются единственной обмоткой на статоре. Они практически не могут работать. Когда вал электродвигателя неподвижен, то при подаче питания образуется только импульсное магнитное поле, а момент вращения равен нулю. Но если ротор у такого электродвигателя принудительно раскрутить, то он сможет функционировать и приводить в действие какой-либо привод механизма.

В таком случае пульсирующее поле складывается из 2-х симметричных полей: прямого и обратного. Они образуют разные моменты: один двигательный, другой тормозной. Но двигательный момент получается больше тормозного, возникающего вследствие токов ротора высокой частоты.

В связи с этим 1-фазные моторы оснащаются второй обмоткой, применяющейся в качестве пусковой. В ее цепи для сдвига фаз подключают конденсаторы. Их емкость имеет значительную величину, и может достигать нескольких десятков мкФ при маломощном моторе, меньше 1000 ватт.

В управляющих системах применяют 2-фазные асинхронные электродвигатели, получившие название исполнительных. Они оснащены двумя обмотками статора, которые имеют сдвиг фаз на 90 градусов. Одна обмотка (возбуждения) питается от сети 50 герц, а вторая применяется в качестве управляющей.

Чтобы образовалось магнитное поле с вращающим моментом, ток в управляющей обмотке должен иметь сдвиг 90 градусов. Для регулировки скорости мотора изменяют значение тока в этой обмотке, либо меняют угол фазы. Реверсивное движение обеспечивается сменой фазы в обмотке управления на 180 градусов, с помощью переключения обмотки.

2-фазные асинхронные электродвигатели производятся в разных исполнениях:

• Короткозамкнутым ротором.
• Полым магнитным ротором.
• Полым немагнитным ротором.

Линейные моторы

Чтобы преобразовать движение вращения в поступательное движение, необходимо применение определенных механизмов. Поэтому при необходимости двигатель конструктивно выполняют таким образом, что его ротор сделан в виде бегунка с линейными движениями.

В таком случае двигатель получается развернутым. Обмотка статора такого мотора сделана, как и у обычного двигателя, но она должна быть уложена на всей длине перемещения бегунка (ротора) в пазы. Такой ротор в виде бегунка чаще бывает короткозамкнутым. К нему присоединен привод механизма. На краях статора располагают ограничители, которые не дают ротору выходить за определенные пределы.

Принцип действия

Якорь электродвигателя приводится в действие с помощью эффекта магнитного поля, возникающего в катушках статора. Для лучшего понимания принципа работы мотора, нужно освежить в памяти закон самоиндукции. Он говорит, что вокруг подключенного к питанию проводника образуется магнитное поле. Его величина прямо зависит от индуктивности проводника и потока частиц.

Также, магнитное поле образует силу, направленную в определенную сторону, которая вращает ротор мотора. Чтобы двигатель работал с достаточной эффективностью, нужно получить значительный магнитный поток. Его можно создать особой установкой первичной обмотки.

Источник напряжения выдает переменное напряжение, значит, вокруг статора магнитное поле будет с такими же свойствами, и прямо зависит от изменения тока сети. Фазы смещены между собой на 120 градусов.

Процессы в обмотке статора

Все фазы сети подключаются к катушкам статора, каждая фаза к определенной катушке. Поэтому магнитное поле будет иметь смещение на 120 градусов. Питание поступает в виде переменного напряжения, значит, вокруг катушек возникнет переменное магнитное поле.

Схема двигателя выполняется так, чтобы магнитное поле вокруг катушек постепенно менялось и переходило от одной катушки к другой. Так образуется магнитное поле с эффектом вращения. Можно определить частоту вращения, которая будет измеряться в числе оборотов вала мотора. Она вычисляется по формуле:

n = 60*f / p, где f – частота тока в сети, р – количество пар полюсов статора.

Работа ротора

Процессы во вторичной обмотке ротора, и особенность конструкции, которую имеют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

К обмотке якоря напряжение не подается. Оно возникает из-за индукционной связи с первичной обмоткой. Из-за этого и происходит действие, обратное действию в статоре. Оно соответствует закону: при пересечении проводника магнитным потоком, в нем образуется электрический ток. Магнитное поле возникает вокруг первичной обмотки от того, что к ней подключается трехфазное питание.

Совместная работа ротора и статора

Мы имеем асинхронный мотор с ротором, в котором протекает электрический ток по его обмотке. Этот ток станет причиной появления магнитного поля возле обмотки якоря. Но полярность потока не будет совпадать с потоком статора. А значит, и сила, которая создается им, будет противодействовать силе магнитного поля первичной обмотки, что заставит двигаться ротор, потому что на нем выполнена вторичная обмотка, а вал закреплен на подшипниках в корпусе мотора.

Разберемся в ситуации, когда взаимодействуют силы магнитных полей ротора и статора, по истечении времени. Известно, что магнитное поле первичной катушки вращается с определенной частотой. Образованная им сила будет передвигаться с такой же скоростью. Это приводит в действие асинхронный двигатель, его ротор будет вращаться вокруг своей оси.

Подключение двигателя к питанию

Для запуска электродвигателя его нужно подключить к напряжению 3-фазного тока. Выполнить такое подключение возможно двумя методами: звездой и треугольником.

Схема звездой

Здесь изображен способ соединения треугольником.

Схемы собираются в клеммной коробке, расположенной на корпусе двигателя.

Чтобы запустить электродвигатель в обратном направлении вращения, необходимо только изменить местами две любые фазы путем перебрасывания двух проводов в коробке двигателя.

Похожие темы:

Классификация асинхронных двигателей по конструкции массивных ферромагнитных роторов

К ферромагнитным материалам (ферромагнетикам) относятся железо (конструкционные стали, электротехнические стали в виде тонких листов и т.д.), чугун, никель, кобальт, гадолиний, различные сплавы, спрессованные смеси из ферромагнитного порошка и изоляционного материала, ферриты и другие композиционные соединения.

В электромашиностроении наибольшее применение нашли электротехнические стали и чугун. Для массивных ферромагнитных роторов в качестве ферромагнетиков наиболее приемлемыми являются конструкционные стали Ст.3, Ст.45 и другие ее марки, а также различные сплавы. Для микромашин возможно применение ферритов.

Характерной особенностью (свойством) ферромагнетиков являются повышенные значения и нелинейность магнитной проницаемости µ=B/H. Это свойство обеспечивает широкие пределы изменения электромагнитных параметров эквивалентных обмоток или их частей в зависимости от частоты вращения ротора и значения подводимого к обмотке статора напряжения. Так, с целью увеличения активного и индуктивного сопротивлений рассеяния короткозамкнутой обмотки ротора и снижения пусковых токов используется короткозамыкающее кольцо из железа.

И если научно-исследовательские работы, проводимые с целью повышения технико-экономических показателей обычных короткозамкнутых двигателей, были направлены на увеличение сопротивлений и пределов их изменения, то аналогичные работы с массивными ферромагнитными роторами (МФР) ведутся с целью снижения значений электромагнитных параметров. Для решения таких задач предложены различные модификации МФР. Основными целями таких работ были, с одной стороны, сохранение естественной механической характеристики двигателя без явно выраженного максимума (придает двигателю хорошие регулировочные и динамические свойства) и, с другой стороны, повышение ее жесткости при малых значениях скольжения (обеспечивает повышение полезной мощности и энергетических показателей в номинальном режиме работы двигателя).

Общая классификация конструкционных исполнений роторов с массивными ферромагнитными элементами

Асинхронные двигатели классифицируются по различным признакам:

• по назначению;
• диапазону мощностей;
• по исполнению;
• по режимам работы;
• по классу нагревостойкости изоляции и др.

Ниже приведена классификация асинхронных двигателей по конструкционному исполнению роторов с массивными ферромагнитными элементами с нелинейными (частотно-зависимыми) электромагнитными параметрами.

Предлагаемая ниже классификация является в определенной мере условной, поскольку некоторые конструкции роторов могут быть отнесены одновременно к двум или нескольким группам. Кроме того, некоторые изменения в конструкции ротора, направленные, например, на улучшение условий охлаждения, снижение вибраций и шумов, предотвращение разрушения при тепловой деформации или для удовлетворения других требований, в той или иной мере оказывают влияние на изменение электромагнитных параметров и наоборот.

Асинхронные двигатели, в роторах которых используются массивные ферромагнитные элементы в качестве активных частей (т.е. частей, участвующих в преобразовании энергии), можно подразделить на следующие группы:

• двигатели с массивными (сплошными) ферромагнитными роторами и их модификациями;
• двигатели с многослойными конструкциями роторов;
• двигатели с более сложными конструкционными исполнениями роторов.

Первые конструкционные варианты массивного ферромагнитного ротора представляют собой обычный сплошной однородный и гладкий (с торцовых и боковой поверхностей) цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала. Таким материалом была обычная конструкционная сталь. В последствии были предложены различные композиционные материалы. Они характеризуются примерно такими же электромагнитными свойствами, но сравнительно сложной технологией изготовления как самих материалов (ферромагнитных и медных опилок), так и ротора (перемешивания, формовки, прессовки и спекания с заполнителем при высокой температуре). В последнее время разработаны и опробованы марки ферромагнитного чугуна, специально предназначенного для замены стали. При этом ротор может изготовляться способом литья с различными геометрическими формами (например, с пазами).

Предполагаемые положительные свойства обычного МФР нивелировались выявленными в процессе исследований недостатками. Главными из них являлись слишком большие значения активного и индуктивного сопротивления рассеяния. Поэтому Шенфер К.И. предложил первые модификации МФР, которые детально описаны в [1]. Позже были предложены другие конструкционные исполнения МФР, оформленные на уровне изобретений или описанных в статьях. Классификация их в виде структурной схемы показана на рис.1.

Рис.1 Классификация роторов с массивными ферромагнитными сердечниками

Выявив недостатки асинхронных двигателей со сплошным массивным ферромагнитным ротором, Шенфер К.И. предложил первое изменение в эту конструкцию. Оно заключалось в применении короткозамкнутых колец на торцах цилиндрического ротора, выполненных из цветных металлов. Предполагалось, что осевые токи в массиве ротора будут замыкаться на торцах через короткозамыкающие кольца с меньшим электрическим сопротивлением. Это должно было бы привести к улучшению характеристик двигателя. Однако, крепление короткозамыкающих колец к массиву с помощью болтов, не обеспечивало достаточного и надежного электрического контакта между соприкасающимися поверхностями и в таком варианте не привело к существенному улучшению характеристик.

С целью повышения технологичности и обеспечения надежного электрического контакта Харитонов А.М. предложил конструкцию МФР (рис.2), в которой короткозамыкающие кольца (поз. 1) из немагнитного материала с малым удельным электрическим сопротивлением размещены в кольцевых выточках, сделанных в торцовых частях, и скреплены с ротором (поз. 2) посредством заливки [5].

Рис.2 Констнукция МФР Харитонова А.М.

Следующим предложением Шенфера К.И. было усовершенствование МФР путем выполнения на цилиндрической поверхности ротора продольных узких пазов. Затем он объединил это предложение с предыдущим. Само по себе выполнение продольных пазов не вызывает затруднений, то есть является высоко технологичным, но весьма трудоемким при их фрезеровании.

Первоначальные исследования двигателей с зубчатым МФР показали, что применение пазов не приводит к существенному улучшению характеристик. В то же время, сочетание выполнения пазов с применением медных короткозамыкающих колец приводит к заметному улучшению характеристик двигателя [1].

Более глубокие исследования показали, что при различных числах и размерах пазов в МФР можно добиться значительного улучшения показателей двигателей. Число пазов и их геометрия зависят от числа пазов статора, числа полюсов, габарита двигателя и других факторов. На рис.3 показана конструкция МФР, в котором пазы (поз. 1) фрезерованы только в активной части машины, т.е. на длине, равной длине пакета стали статора. Не фрезерованные части с обоих торцов ротора как бы образуют короткозамыкающие кольца.

Рис.3

В авторском свидетельстве [2] предложена конструкция МФР с открытыми пазами (поз. 1 на рис.4) и оптимальными размерами, а лобовые части имеют диаметр на стыке с зубцовой зоной меньше диаметра ротора на 0,4…1,0 высоты зубца (рис.4). Сравнивая эти конструкции, видим, что они противоречат друг другу.

Рис.4

Различные конструкционные исполнения МФР со своеобразным исполнением лобовых частей показаны на рис.5,а–е [8] и рис.5

,ж, з [9]. Множество вариантов МФР с разными геометрическими параметрами торцовых зон с короткозамкнутыми кольцами приведено в [3].

С целью снижения добавочных потерь на поверхности МФР от зубцовых гармоник статора предложено выполнять канавки (кольцевые проточки) прямоугольного сечения (см., например, рис.5,г), расположенные на равном расстоянии в осевом направлении. Расстояние между канавками и их глубина приблизительно в 20 раз больше воздушного зазора.

Рис.5 Различные конструкционные исполнения МФР со своеобразным исполнением лобовых частей

Сосредоточение магнитного поля у цилиндрической поверхности массивного ротора позволяет выполнять ротор в виде полого цилиндра. Это способствует снижению массы и махового момента ротора, повышению быстродействия двигателя и улучшению условий отвода тепла с увеличенной поверхности активной части ротора. Экспериментально установлено, что замена сплошного ротора ротором в виде полого цилиндра (рис.6) с толщиной стенки 25 мм практически не оказывает влияния на ухудшение характеристик и энергетических показателей двигателя. Эксперименты проводились с двигателем номинальной мощностью Р_2Н=13,0 кВт и числом полюсов 2р=4. Возможность выполнения МФР в виде тонкостенного полого цилиндра подтверждается и опубликованными данными [4].

Рис.6

Это обстоятельство подсказывает возможность и целесообразность выполнения асинхронного двигателя с внешним ротором (поз. 1 на рис.7) в виде тонкостенного полого цилиндра (рис.7). Положительными свойствами такой конструкции двигателя являются: сравнительная простота изготовления; сравнимые с обычными короткозамкнутыми двигателями масса и габариты на единицу мощности; хорошие условия для охлаждения; отличные регулировочные и пусковые свойства; возможность совмещенного выполнения ротора и механизма. Двигатели с внешним ротором могут найти широкое применение для различных намоточных устройств, рольгангов, насосов, мешалок, вентиляторов, транспортеров (мотор-роликов), мотор-колес, электроинструментов, сельскохозяйственных машин и т.п. Замена в них короткозамкнутого ротора на МФР придает асинхронным двигателям улучшенные пусковые, регулировочные и динамические характеристики, а также преимущества, рассмотренные выше.

Рис.7

 

Асинхронные двигатели с массивными ферромагнитными роторами и короткозамкнутыми обмотками

Описание этой группы роторов выделено в отдельный параграф, чтобы обратить внимание читателей на важность, возможность решения проблемы регулируемого электропривода и перспективность практического применения.

Варьированием числом стержней, геометрическими параметрами и свойствами применяемых материалов для короткозамкнутой обмотки можно получить спектр характеристик, приближающихся к характеристикам двигателей с короткозамкнутым или массивным ферромагнитным роторами. Этому способствуют специально разработанные для этих целей марки электромагнитного чугуна. Хорошие литьевые свойства чугуна позволяют получать образцы роторов различных геометрических форм с требуемым числом, сечением, расположением и формой пазов. Заливка пазов алюминием может осуществляться по традиционной технологии изготовления обычных роторов с короткозамкнутой обмоткой.

Вложение стержней короткозамкнутой обмотки в МФР может осуществляться на различную глубину. При этом высота промежутка над стержнем до поверхности ротора должна приближаться к глубине проникновения электромагнитной волны в ферромагнитный массив при скольжении s=1. В такой конструкции пусковой момент двигателя создается токами в зубцах. По мере увеличения скорости вращения снижается частота токов и увеличивается глубина проникновения электромагнитной волны. В работе двигателя все большее участие принимает короткозамкнутая обмотка, придавая необходимый вид механической характеристике.

Экспериментальные исследования АД с МФР и короткозамкнутыми обмотками показали, что для получения удовлетворительных регулировочных характеристик вложение меди в них должно составлять примерно 15…20% от вложения меди в обычных короткозамкнутых роторах, что обеспечивает значительное удешевление таких двигателей.

Поскольку данные результаты получены при переменном сечении стержней, а необходимые свойства получены при размещении стержней на дне паза, то были продолжены исследования АД с МФР с различным числом пазов и их сечением и нормальным расположением стержней [5].

Предложены различные модификации МФР с короткозамкнутыми обмотками. Так, на рис.8,а показана конструкция, в которой стержни короткозамкнутой обмотки (поз. 1) размещаются в закрытых пазах. Они располагаются от поверхности МФР ротора на расстоянии, равном глубине проникновения электромагнитной волны при скольжении s³0,8. Рекомендуется стержни изолировать от МФР или снабжать их на некоторой длине от торцов покрытием, улучшающим контакт с МФР.

Рис.8

На рис.8,б показано осевое сечение МФР, в закрытых пазах которого расположены стержни короткозамкнутой обмотки. Короткозамыкающие кольца расположены в торцовых выточках и закрыты крышкой из материала с низкой магнитной проницаемостью. Для уменьшения магнитного потока рассеяния над стержнями фрезерованы пазы [6].

В этом же патенте предложена модификация ротора, состоящего из двух или более концентрических цилиндров из материала с высокой магнитной проницаемостью. Цилиндры сварены вместе по торцам. Однако такую конструкцию уже необходимо отнести к многослойным роторам, которые будут рассматриваться отдельно.

Кроме перечисленных модификаций МФР предложены и исследованы АД с МФР, выполненными из сплавов (железо, никель, медь). Основной задачей в этом случае было добиться оптимальных значений магнитной проницаемости, при которой характеристики двигателя значительно улучшаются по сравнению с характеристиками АД с МФР из стали. Однако технология изготовления этих роторов такова, что требует новых производственных площадей, нового материала и установки нового оборудования. Вместе с тем, энергетические показатели и использование габаритной мощности двигателя с такой конструкцией ротора остаются низкими.

Литература

1. Шенфер К.И. Асинхронные машины. – М.-Л.: ГОНТИ РЭЛ, 1938.
2. А.с. 650163 СССР. М. Кл HК 1/22. Массивный ротор асинхронной машины/Лищенко А.И. – Опубл. в Б.И., 1979, №8.
   
3. Лищенко А.И., Лесник В.А. Асинхронные машины с массивным ферромагнитным ротором. – К.: Наук. думка. – 1984.
4. Pat. 48640 PNR. Wirnik bexurwojemowy do trojfozomegosilniko elektryeznego/Jan Cotek. – Publ. 15.10.1964.
5. Вербовой А.П., Вербовой П.Ф., Съянов А.М. Экспериментальные исследования асинхронных двигателей с массивными ферромагнитными роторами/Препр. НАН Украины. Ин-т электродинамики; №793. – К., 1996.
6. Pat. 1129064 GBR. Improvement in or relating to rotors for Asynchronous machines/Walter Reichle. – Publ. 02.10.1968.

Электродвигатель: история и классификация по типам: видео

Двигатель или электромотор является поистине уникальным изобретением и одним из самых глобальных достижений в области науки и техники со времен изобретения электричества. Двигатель – это не что иное, как электро-механическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Именно благодаря двигателям современная жизнь стала таковой в ХХІ веке. Без них мы до сих пор бы жили в эпоху сэра Томаса Эдисона, когда одной-единственной целью электричества были лампочки. В настоящее время, существуют различные типы двигателей, которые предназначены для конкретных целей.

По сути, мы можем назвать двигателем любое устройство, которое производит силу вращения. Главный принцип функционирования электродвигателя состоит в том, что сила направлена перпендикулярно магнитному полю и электрическому току, которые взаимодействуют друг с другом. Со времен изобретения двигателей, в области инженерного дела многое изменилось для современных инженеров. Что же, давайте обозначим основные электрические двигатели и их части, которые радуют нас всех на данном этапе прогресса цивилизации.

Классификация и история двигателя

Классификация электродвигателей

В 1821 году британский ученый Майкл Фарадей четко объяснил, как электрическая энергия способна преобразовываться в механическую путем размещения токоведущего проводника в магнитном поле, в результате чего происходит его вращение вследствие крутящего момента, производимого совместным действием электрического тока и магнитного поля. Основываясь на его принципах, были изобретены машины с постоянным током, и сделал это британский ученый Уильям Стеджен в 1832 году. Однако его модель была чрезмерно дорогой и не могла быть использована для практических целей. Позже, в 1886 году, был изобретен первый электрический двигатель (Франк Джулиан Спрэг), который вращался с постоянной скоростью и с различной нагрузкой.

Виды двигателей

• Двигатель постоянного тока (ДПТ).
• Синхронный двигатель.
• 3-фазный асинхронный электродвигатель.
• 1-фазный асинхронный электродвигатель.
• Специальные виды двигателя.

Видео: классификация электродвигателей

Среди основных типов двигателей, упомянутых выше, двигатель постоянного тока, как следует из самого названия, является единственным, который приводится в движение посредством постоянного тока. Пожалуй, речь идет о самом примитивном варианте электродвигателя, в котором вращающий момент образуется за счет протекания электрического тока через проводник в магнитном поле. Остальные виды электродвигателей приводятся в действие благодаря переменному току, например, синхронный двигатель, всегда работающий в режиме синхронной скорости. В данном случае, в качестве ротора выступает электромагнит, который заблокирован статором вращающегося магнитного поля и вращается вместе с ним. Скорость таких двигателей изменяться соответственно изменению частоты (f) и числу полюсов (Р), так как N_s = 120 f/P.

В других типах двигателей с переменным током вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора, и, следовательно, показатель циркулирующего тока уменьшается в проводниках ротора при коротком замыкании. Благодаря взаимодействию магнитного поля и этих циркулирующих потоков ротор начинает и продолжает свое вращение. В общем, такой двигатель также известен как асинхронный двигатель, работающий на меньшей скорости; а вращающий момент регулируется путем изменения скольжения, обеспечивающего разность между N_s синхронной скорости и ротором скорости N_r:

S=(N_s — N_r )/N_s

Такой двигатель регулирует основные параметры ЭДС индукции благодаря различной плотности потока; отсюда и само название. Однофазный и трехфазный двигатель тоже работают по принципу ЭДС индукции, но с той лишь разницей, что сеть и способы ее запуска регулируются двумя хорошо известными теориями, а именно теорией двойных вращающихся полей и теорией поперечного поля.

Помимо основных типов двигателей, упомянутых выше, существует несколько видов так называемых специальных электродвигателей, например, линейный асинхронный электродвигатель (LIM), шаговый двигатель, серводвигатель и т.д., особенности которых были разработаны в соответствии с потребностями отрасли или для функционирования конкретных гаджетов, к примеру, при использовании гистерезиса двигателя в ручных часах ввиду его компактности.

Анимация работы двигателя постоянного тока

Классификация электродвигателей

По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающей момент создается вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатели постоянного тока:двигатель постоянного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щёточно-коллекторного узла подразделяется на:

1. коллекторные двигатели;
2. бесколлекторные двигатели.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепей вращающейся и неподвижной части машины и является наиболее ненадежным и сложным в обслуживании конструктивным элементом

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:

1. двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
2. двигатели с самовозбуждением .

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

1. Двигатели с параллельным возбуждением;(обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения)
2. Двигатели последовательного возбуждения;(обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения)
3. Двигатели смешанного возбуждения.(обмотка возбуждения включается частично последовательно частично параллельно обмотке якоря)

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей.

Двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора, а у асинхронных — всегда должна быть разница скоростей.

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше)^[1]:28.

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

• однофазные — запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь;

• двухфазные — в том числе конденсаторные;
• трёхфазные;
• многофазные;

 

Классификация электродвигателей

Электрический двигатель или электромеханический преобразователь – это машина вращательного типа, преобразующая электрическую энергию в механическую. Образование и выделение тепла – побочный эффект работы электродвигателя.

Вращающий момент в электродвигателе может создаваться при перемагничивании ротора вследствие гистерезиса, либо при взаимодействии магнитных полей статора и ротора, возникающих в них при подаче тока. Электродвигатели первой группы называют гистерезисными, применяют очень редко. Основная масса двигателей, используемых в промышленности, относится к группе магнитоэлектрических.

В зависимости от типа потребляемой энергии магнитоэлектрические двигатели подразделяются на двигатели постоянного и переменного тока. Существует также немногочисленная группа универсальных двигателей, которые питаются обоими видами тока.

Двигатели постоянного тока

По наличию щёточно-коллекторного узла двигатели постоянного тока делят на коллекторные и бесколлекторные. Щёточно-коллекторный узел предусмотрен для электрического соединения цепей статора и ротора. Этот узел электродвигателя является наиболее уязвимым, сложным в ремонте и обслуживании.

Внутри группы коллекторных двигателей существует деление на двигатели с самовозбуждением и независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.

В зависимости от особенностей взаимного подключения обмоток якоря и возбуждения внутри группы двигателей с самовозбуждением различают двигатели параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Бесколлекторные или вентильные двигатели работают по тому же прицепу, что и синхронные двигатели постоянного тока. Представляют собой замкнутые системы, включающие силовой полупроводниковый преобразователь, преобразователь координат, датчик положения ротора.

Электродвигатели переменного тока

Двигатели переменного тока питаются от сетей переменного тока и подразделяются на синхронные и асинхронные.

В синхронных электродвигателях скорости вращения ротора и движения первой гармоники магнитодвижущей силы статора совпадают. Этот тип двигателей применяется при высоких мощностях.

К группе синхронных двигателей относят вентильные реактивные и шаговые электродвигатели. Питание обмоток вентильных реактивных двигателей формируется с помощью полупроводниковых элементов. Отличительная особенность шаговых электродвигателей – дискретное (шаговое) угловое перемещение ротора при работе. Последовательное перемещение ротора происходит при переключении напряжения питания с одних обмоток на другие.

Наибольшее распространение в современной промышленности получили асинхронные электродвигатели. Частоты вращающего магнитного поля, создаваемого напряжением питания и вращения ротора в двигателях асинхронного типа всегда разнятся.

Двигатели переменного тока различаются по количеству фаз. По этому признаку выделяют одно-, двух-, трех- и многофазные двигатели. Однофазные двигатели могут иметь фазосдвигающую цепь, либо пусковую обмотку, либо запускаться вручную.

В электроинструментах и бытовых приборах применяются коллекторные универсальные электродвигатели, которые могут работать от источников постоянного и переменного тока. Универсальные двигатели производятся только с последовательными обмотками возбуждения, которые при подаче постоянного тока включаются полностью, а при подаче переменного – частично.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

§79. Характеристики асинхронных двигателей

Характеристики асинхронных двигателей. Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Механическая характеристика. Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98—92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а — естественная; б — при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M_max двигатель развивает при некоторое скольжении s_kp, составляющем 10—20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном — его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В). Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5—7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R₂ и возрастает s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М_п такого двигателя значительно больше, чем момент М’_п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁ коэффициента полезного действия ? и cos?₁, от полезной мощности Р₂ = Р_mx при номинальных значениях напряжения U₁ и частоты f₁ (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10—20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р₂ изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М₂ пропорционален мощности Р₂, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М_тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I₁, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р₂ = 0 имеется некоторый ток холостого хода I₀. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75—0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos?₁ асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7—0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис. 263. Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис. 264. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25—50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5—0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25—0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.
Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении — не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U_ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5—1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э. п. с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

устройство, принцип работы, технические характеристики, типы асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели представляют собой наиболее надежный и дешевый электрический двигатель по себестоимости, в сравнении с остальными электрическими машинами, в том числе и с машинами переменного тока.

Устройство асинхронного двигателя

Конструкция АД включает две главных основные части, это: неподвижный статор и вращающийся в нем – ротор. Между ними существует, разделяющий их воздушный зазор. И ротор, и статор имеют обмотку. Обмотка статора двигателя подключается к электрической сети переменного напряжения и считается первичной. Обмотка ротора считается вторичной, так получает электроэнергию от статора за счет создаваемого магнитного потока.

Корпус статора, который является одновременно корпусом всего электродвигателя, состоит из запрессованного в него сердечника, в его пазы укладываются, изолированные друг от друга электротехническим лаком, проводники обмотки. Его обмотка подразделяется на секции, соединяемые  в катушки, составляющих фазы двигателя к которым подключены фазы электросети.

Конструкция ротора АД включает вал и сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с симметрично расположенными пазами для укладки проводников обмотки. Вал предназначен для передачи крутящего момента от вала двигателя к приводному механизму.

По конструктивным особенностям ротора, электродвигатели подразделяются на двигатель с короткозамкнутым или фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор состоит из алюминиевых стержней, которые расположены в сердечнике и замкнуты на торцах кольцами так называемое беличье колесо. В двигателях высокой мощности, до 400 кВт, пазы между пластинами ротора и шихтованным сердечником залиты алюминием под высоким давлением, благодаря чему создается повышенная прочность.

Фазный ротор АД включает некоторое число катушек от 3, 6, 9 и т. д., в зависимости от количества пар полюсов. Катушки сдвинуты на угол 120о, 60о и т. д. по отношению друг к другу. Количество пар полюсов ротора должны соответствовать количеству пар полюсов статора. Обмотки фазного ротора соединены в «звезду», концы, которой выводят к контактным токосъемным кольцам, соединенным с помощью щеточного механизма пусковым реостатом.

Принцип работы

По какому принципу работает асинхронный двигатель?

При подаче на трехобмоточный статор двигателя трехфазного напряжения от электрической сети переменного тока, происходит возбуждение магнитного поля, оно вращается со скоростью большей, чем скорость, с которой вращается ротор, в (n2<n1). Пересечение линий вращающегося поля статора полем ротора способствует созданию электродвижущей силы (ЭДС). Под воздействием индутируемой ЭДС, в закороченной роторной обмотке, происходит возникновение электрического тока. Когда происходит взаимодействие электрического тока в роторе машины и магнитного поля статора происходит возникновение крутящего момента, который заставляет двигатель работать.

Технические характеристики асинхронных двигателей

Главные условия, соответствующие качественной работе асинхронной машины, определенны ГОСТ. В них входят:

• Соответствие размеров и мощности – ГОСТу.
• Соответствие степени защиты – условиям эксплуатации.
• Высокий уровень изоляции, относительно устойчивости к нагреву.
• Климатическое исполнение электродвигателя должно соответствовать региону использования.
• Соответствие режимам работы.
• В должной мере представлены способы охлаждения.
• Уровень шума при работе двигателя на (ХХ) холостом ходу должен соответствовать по ГОСТ, и не превышать 2-й класс.

Параметры и режимы работы

На основании вышеприведенных признаков подразумеваются следующие режимы работы, всего их 9:

• Продолжительный или длительный режим с постоянной нагрузкой– S1;
• Кратковременный, с полной нагрузкой – в течение заданного времени – S2;
• Периодический кратковременный – в течение определенного по времени чередующимися периодами с полной нагрузкой – S3;
• Режим с длительным периодом пуска, с определенными циклами работы в течение заданного периода времени– S4;
• С быстрым торможением при помощи электрического способа – S5;
• С кратковременной полной величиной нагрузки, режим включает циклы с полной токовой нагрузкой и холостым ходом – S6;
• Режим с торможением электрическим способом, в течение длительного непрерывного периода работы – S7;
• С изменением величины токовой нагрузки и значения скорости вращения, происходящими одновременно, с различными по протяженности периодами и с разной частотой вращения двигателя – S8;
• Изменение скорости вращения нагрузки, происходящее в неопределенные периоды времени, изменение величины токовой нагрузки и скорости вращения соответственно рабочему диапазону – S9.

Основные параметры – это: напряжение по номинальному пределу, частота, ток номинальный, мощность на валу двигателя, количество оборотов вращения вала, КПД (коэффициент полезного действия), коэффициент мощности. При соединении обмоток электродвигателя в треугольник или звезду дается параметр их напряжения и тока при обоих этих соединениях.

При пуске АД на полное значение напряжения создается высокий пусковой ток, в это время значение пускового момента невелико, для его увеличения применяется повышение активного сопротивления вторичной цепи.

Режимы торможения

Асинхронный двигатель имеет три режима торможения.

• Во время торможения происходит отдача электрической энергии в сеть, характеризуется тем, что скорость вращения ротора выше скорости магнитного поля;
• Противовключение, этот режим возникает за счет увеличения статического момента или при переключении обмоток статора для другого направления вращения;
• Динамическое торможение, наведенная ЭДС создает ток, который взаимодействуя с полем, создает тормозной момент.

Основные типы асинхронных двигателей

Кроме подразделения по признаку, разделяющему двигатели в зависимости от устройства ротора на короткозамкнутый или фазный, электродвигатели делятся по конструктивным признакам, базового и модифицированного изготовления.

В базовое исполнение входят электродвигатели монтажного IM1001 (1081) или климатического УЗ,  для работы в режиме S1 исполнения, с требуемыми стандартами по ГОСТ.

В модифицированном исполнении присутствуют некоторые конструктивные отличия, соответствующие особенностям монтажа, усиленной степени защиты, характерному климатическому исполнению, предназначенные для использования в определенном регионе.

Асинхронные двигатели высокой мощности со степенью защиты, характерной для закрытого электродвигателя от попадания влаги и брызг, IP23 — 4 А, 5 А.

Взрывозащищенные двигатели, используемые для предприятий первой категории по электробезопасности.

АД специального предназначения используются в узкоспециализированном профиле, например, для лифтов, подъемных механизмов, транспорта.

Энергоэффективные асинхронные электродвигатели

Изготовление двигателей для специальных и строго определенных условий эксплуатации положительно сказывается на энергосбережении, это позволяет адаптировать электродвигатель к определенному электроприводу, что позволяет достичь наибольшего коэффициента экономической эффективности при эксплуатации. Проектирование асинхронного электродвигателя к регулируемому электроприводу обеспечивает эффективное энергосбережение.

Энергоэффективность достигается за счет увеличения длины сердечника статора без изменения величины и геометрии поперечного сечения, а также за счет уменьшения количества витков статорной обмотки для электропривода с возможностью регулирования. В результате получается значительное энергосбережение.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.