Каков принцип действия трехфазного асинхронного двигателя?

Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

То, что асинхронные двигатели сегодня используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, необходимо поклониться русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Именно он в 1889 году (а точнее 8 марта) изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который преобразовывает электроэнергию в энергию механическую (вращения). Это, по сути, стало прорывом в технике и началом новой эры.

Самое главное, что электрические моторы данного типа оказались очень надежными, их производство достаточно простое, что влияет на небольшую себестоимость изделия. Плюс несложная конструкция, которая легко поддается не только производству, но и ремонту. Если обратиться к статистическим данным, то по ним можно сделать вывод, что асинхронные двигатели являются самыми производимыми в мире. На их счет приходится до 90% выпуска. Так что цифры говорят сами за себя.

Но почему эти приборы названы асинхронными? Все дело в том, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше вращения ротора. Кстати, у электродвигателей этого типа принцип работы основан именно на вращении магнитного поля.

Принцип работы двигателя

Чтобы понять, как работают электродвигатели асинхронные трехфазные, необходимо провести один несложный эксперимент. Для этого вам понадобиться обычный магнит подковообразного типа и медный стержень. При этом магнит надо хорошо закрепить к рукоятке, с помощью которой его можно крутить на одном месте вокруг своей оси. Медный стержень закрепляется в подшипниках и устанавливается в пространство между концами (полюсами) магнита-подковы. То есть, стержень оказывается как бы внутри магнита, а, точнее сказать, внутри его плоскости вращении.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Теперь надо просто вращать магнитное устройство за ручку. Лучше по часовой стрелке. Так как между полюсами есть магнитное поле, то оно также будет вращаться. При этом поле будет пересекать или рассекать своими силовыми линиями медный стержень-цилиндр. И тут включается закон электромагнитной индукции. То есть, внутри медного стержня начнут возникать вихревые токи. Они, в свою очередь, начнут образовывать свое собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с основным магнитным полем.

При этом стержень начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. И вот тут возникает один момент, который также лежит в принципе работы электродвигателя. О нем было уже упомянуто. Если скорость вращения стержня будет такое же, как у магнита, то их силовые линии пересекаться не будут. То есть, вращения не будет в виду отсутствия вихревых токов.

И еще пару нюансов:

  • Магнитное поле вращается с той же скоростью, что и сам магнит, поэтому скорость называют синхронной.
  • А вот стержень вращается с меньшей скоростью, поэтому ее и называют асинхронной. Отсюда, в принципе, название и самого электрического мотора.

Внимание! Разница скоростей вращения магнитных полей не очень большая. Эту величину называют скольжением.

Кстати, определить величину скольжения несложно, для этого необходимо воспользоваться формулой:

  • S – это величина скольжения;
  • n – скорость вращения магнита;
  • n1 – скорость вращения ротора.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.

Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

  • Итак, позиция «А». В ней на первом полюсе фаза равна нулю, второй полюс является северным, то есть, отрицательным, в третьей фазе положительный заряд. Поэтому ток движется по стрелкам, указанным на рисунке. Тот, кто забыл школьную программу физики, напоминаем, что движение магнитного поля действует по правилу правой руки. Значит, вращение его будет направлено от севера к югу, то есть, от второй катушки (обмотки) к третьей.
  • Позиция «Б». Теперь ноль расположен на второй обмотке, на первой юг (плюс), на третьей север (минус). То есть, магнитный поток будет теперь направлен от катушки №3 на катушку №1. Получается так, что полюсы сместились на 120º.
  • В позициях «В» и «Г» произошли точно такие же сдвиги полюсов на 120º.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% – значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети

  • Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
  • Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
  • В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
  • В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

  1. С фазным ротором.
  2. Короткозамкнутым.

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.

Технические характеристики

На что обычно надо обратить внимание, выбирая электродвигатели? Технических характеристик, в принципе, немного. Это мощность, измеряемая в кВт, скорость вращения ротора в об/мин. Все остальные технические характеристики не столь важны именно для выбора. Хотя, к примеру, масса изделия может помочь рассчитать нагрузку на подставку или монтажную раму.

Заключение по теме

Итак, были рассмотрены асинхронные электродвигатели – электрическое оборудование, которое нередко используется в частных домах для бытовых нужд. Устройство и принцип работы мотора вам теперь понятно, а вот как правильно подключить двигатель к однофазной сети, читайте в другой статье.

Двигатель асинхронный трехфазный: устройство и принцип действия.

Трехфазный асинхронный двигатель является наиболее распространённым типом моторов. В таком электродвигателе на статоре устанавливается трехфазная обмотка, что обуславливает его название.

КОНСТРУКЦИЯ ТРЕХФАЗНОГО асинхронного ДВИГАТЕЛЯ

Основная задача двигателя — это превращение электрической энергии в механическую. Конструкция его состоит из двух основных элементов таких как ротор (подвижная часть) и статор (неподвижная часть).

Между ними находиться воздушный зазор. Оба этих элемента имеют в себе сердечники, где размещается специальные витки обмотки. В роторе они располагаются на валу, а в статоре в специальных пазах на корпусе.

Пазы, на которых крепиться обмотка имеют угловое расстояние между собой в 120 градусов. Наиболее распространённым является система с короткозамкнутым ротором или как ее называют «беличье колесо». В этом случае обмотка крепиться на каркас цилиндрической формы, а стержни соединяются с сердечником ротора и накоротко замыкаются с торцов.

Помимо короткозамкнутого также используются и двигатели с фазным ротором. В этом случае фазы обмотки присоединяется к специальным контактным кольцам, а их концы изолируются друг от друга и от вала. При всем этом статоры в обоих представленных видах могут не отличаться конструкционно.

Существует несколько схем соединения трехфазных обмоток между собой. Основными способами являются т.н. «звезда» и «треугольник». Иногда устанавливаются и комбинированные варианты. Подбор схемы зависит от напряжения питания в сети. В первом случае концы фаз обмоток соединены в одной точке. Во втором — конец каждой фазы поочередно соединяется с началом следующей.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Работа асинхронного двигателя основывается на вращении магнитных полей. С помощью тока в обмотке статора создается движущееся магнитное поле, которое воздействует на контур ротора и индуцирует в нем электродвижущую силу. Если этот показатель выше силы трения, то вал приводиться в движение.

Читайте также  Чем убрать масло с двигателя?

Ротор увеличивает частоту вращения пытаясь догнать скорость вращения магнитных полей обмотки статора. Однако, когда этот параметр сравниваеться то электродвижущая достигает нулевого значения и магнитное воздействие пропадает.

Поэтому частота вращение вала никогда не совпадает (не синхронна) с частотой движущихся магнитных полей. Из-за этого двигатель называют асинхронным.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Трехфазный электродвигатель асинхронного типа имеет несколько возможных режимов работы:

  • Пуск.
  • Двигательный режим.
  • Холостой ход.
  • Генераторный режим.
  • Электромагнитное торможение.

Пуск является начальным этапом работы любого двигателя. В этом режиме на обмотку пускается ток и создаются вращающиеся магнитные поля. В момент, когда сила трения меньше электродвижущей — ротор начинает вращение.

Двигательный режим выполняет основную задачу электродвигателя, то есть превращает электродвижущую силу в механическое вращение вала.

Холостой ход происходит, когда на валу отсутствует нагрузка, то есть он не подсоединен к другим устройствам.

Генераторный режим включается, когда обороты вала принудительно, например, с помощью другого двигателя, превышают скорость вращения электромагнитного поля. В этом случае электродвижущая сила имеет обратный вектор и двигатель превращается в источник активной энергии.

Электромагнитное торможение происходит, когда искусственно изменяют направление вращения электромагнитного поля и ротора на противоположные. Происходит довольно быстрое торможение. Применяется только в экстренных случаях, так как выделяется огромное количество тепла.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВиГАТЕЛЯ

Трёхфазный двигатель также может работать в однофазном режиме, когда это потребуется. Однако номинальная мощность при этом понижается приблизительно вдвое.

В случае пропадания одной из фаз двигатель продолжит работу и даже будет возможен запуск, но с пониженной мощностью. Относительная дешевизна, хороший КПД и надежность поспособствовали тому, что такие моторы заслужили наибольшую популярность во всем мире.

На нашем сайте вы сможете найти электродвигали для любых ситуаций. В каталогах представлены моторы таких мировых лидеров как Siemens, ABB, Lenze, а также VEM motors.

На страницах нашего блога также можно также ознакомиться с другими типами асинхронных моторов >>>ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ >> ВИДЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска 1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления 2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется 3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени 4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации 5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора 1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент 2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток 3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

  • Продолжительный;
  • Кратковременный;
  • Периодический;
  • Повторно-кратковременный;
  • Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Асинхронный двигатель принцип работы

Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

  1. Корпус. Служит для скрепления всех деталей мотора. Для двигателей небольшого размера, как правило, используют цельные литые корпусы из чугуна, стальных и алюминиевых сплавов.
  2. Сердечник или магнитопроводник. Собирается из пластин, для изготовления которых применяют специальную электрическую сталь. Запрессовывается в корпус и улучшает магнитно-индукционные качества машины. Каждая пластина сердечника покрывается особым лаком, позволяющим уменьшить потери при возникновении вихревых токов. В некоторых случаях устройство асинхронного двигателя предусматривает установку корпуса-сердечника, совмещающего в себе обе функции.
  3. Обмотки. Устанавливаются в пазы сердечника. Представляет собой три катушки из меднопроволочных секций, расположенные под углом в 120˚ относительно друг друга. Называется первичной, потому что подключается к сети напрямую.

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

  1. Массивный ротор – единая схема из прочного ферромагнитного соединения. Внутри неё индуцируются токи, и она же выполняет в конструкции роль магнитопровода.
  2. Короткозамкнутый ротор (изобретён великим русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, как и весь трёхфазный ток) – система соединенных с помощью колец проводников, похожая по внешнему виду на беличье колесо. Внутри него индуцируются токи, чье электромагнитное поле вступает во взаимодействие с магнитным полем статора, в результате чего ротор приводится в движение.
Читайте также  Что называется тактом в работе двигателя?

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.

(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

  • В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
  • Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
  • Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

  • Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
  • Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
  • Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

И выразить из нее скорость вращения ротора:

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

Каков принцип действия трехфазного асинхронного двигателя?

Асинхронные машины относятся к классу электромеханических преобразователей, т.е. преобразователей электрической энергии в механическую или механической в электрическую. В первом случае они называются двигателями, а во втором – генераторами. Все электрические машины обладают свойством обратимости и могут осуществлять преобразование энергии в обоих направлениях, поэтому при изучении процессов в машинах пользуются понятиями двигательного и генераторного режимов. Однако при разработке и изготовлении машины оптимизируются для условий работы в одном из режимов и используются в соответствии с назначением. Асинхронные машины не являются исключением из этого правила, но асинхронные генераторы значительно уступают синхронным по многим параметрам и редко используются на практике, в то время как асинхронные двигатели являются самыми распространёнными электромеханическими преобразователями. Суммарная мощность асинхронных двигателей составляет более 90% общей мощности всех существующих двигателей, поэтому в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только этого типа машин.

Асинхронные двигатели относятся к бесколлекторным машинам переменного тока или машинам с вращающимся магнитным полем. Название асинхронные (несинхронные) объясняется тем, что в статическом режиме работы скорость вращения ротора (вращающейся части) двигателя отличается от скорости вращения магнитного поля, т.е. ротор и поле вращаются несинхронно.

Причиной широкого распространения асинхронных двигателей является их предельная простота, надёжность и экономичность. Конструкция асинхронных двигателей не претерпела существенных изменений с 1889 года, когда эти двигатели были изобретены М.О. Доливо-Добровольским. Можно сказать, что асинхронные двигатели совместно с синхронными генераторами и трёхфазными линиями передачи и распределения электрической энергии образуют систему передачи механической энергии на расстояние.

В последнее время в связи с появлением полупроводниковых преобразователей частоты для питания асинхронных двигателей область их применения существенно расширилась. Они стали широко применяться в высокоточных приборных приводах там, где ранее использовались в основном двигатели постоянного тока.

Работа асинхронного двигателя основана на взаимодействии электрического тока, протекающего в обмотке ротора, с вращающимся магнитным полем, возбуждаемым обмотками статора. Статор (неподвижная часть машины) асинхронного двигателя состоит из корпуса, сердечника и обмоток. Корпус является конструктивным элементом машины и практически не участвует в электромагнитных процессах. Сердечник статора изготавливается из листов электротехнической стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы для укладки обмоток. Конструктивная схема сердечника статора без обмоток и с сосредоточенными обмотками показана на рис. 1.

Читайте также  Двухтактный или четырехтактный двигатель что лучше?

Рис. 1 Конструктивная схема статора асинхронного двигателя

Оси трёх фазных обмоток статора смещены в пространстве по окружности пакета на 120°, а пазы с концами обмоток (X, Y, Z) отстоят от пазов, в которые уложены их начала (A, B, C) на 180°.

При подключении обмоток к трёхфазному источнику питания, протекающие в них токи возбуждают магнитные поля, оси которых совпадают с осями обмоток, а максимальные значения индукции изменяются во времени по синусоидальным законам.

Поля отдельных обмоток суммируются в пространстве внутри сердечника и образуют единое магнитное поле статора. Картину этого поля схематично можно проследить по нескольким точкам на рис. 2.

Рис. 2 Получение вращающегося магнитного поля статора асинхронного двигателя

Обозначим положительное направление тока в обмотке знаком «+» в точке её начала и знаком «•» в точке конца. Тогда для состояния 1 в пазах сердечника A, Y и C будет одно направление тока в проводниках, а в пазах Z, B и X другое. Общая картина магнитного поля для текущего момента будет соответствовать двум магнитным потокам, охватывающим пазы с одинаковыми направлениями токов, поэтому ось поля для состояния «1» будет направлена под углом 30° к оси AX. Такими же построениями можно определить, что через 1/6 часть периода магнитное поле сместится на 60° в положительном направлении, а за один период частоты сети – на 360°.

Магнитное поле вращается внутри пакета статора с угловой частотой

определяемой частотой источника питания статорных обмоток f1. Годограф вектора индукции представляет собой окружность, поэтому поле называется круговым.

Направление вращения поля определяется порядком чередования фаз. При переключении любой пары обмоток направление вращения поля меняется на противоположное.

Если вдвое увеличить число пазов сердечника и, разделив каждую обмотку на две части, поместить её в пазы так, чтобы начала и концы половин обмоток находились в пазах, смещённых по окружности статора на 90°, то при подключении к сети образуется магнитное поле с двойным числом полюсов (рис. 3).

Рис. 3 Магнитное поле статора асинхронного двигателя с двойным числом полюсов

За один период частоты питания оно будет перемещаться в пространстве на 180°, т.е. частота его вращения будет в два раза меньше. Проведя аналогичные построения картины магнитного поля для обмоток, разделённых на p частей, можно убедиться, что при этом будут возбуждаться поля с числом пар магнитных полюсов равным p и угловая частота вращения поля будет уменьшаться в p раз, т.е.

где ω1 = 2πf1 – частота питающей сети, а p – число пар полюсов магнитного поля.

Традиционно частоту вращения называют скоростью вращения и измеряют во внесистемных единицах – оборотах в минуту. Тогда выражение (1) можно представить в виде

где n1 – скорость вращения магнитного поля в об/мин, а f1 – частота питающей сети в герцах.

При частоте промышленной сети 50 Гц возникает ряд возможных скоростей вращения магнитного поля: 3000, 1500, 1000, 750, 600…об/мин.

Принцип действия асинхронного двигателя показан на рис. 4.

Рис. 4 Принцип действия асинхронного двигателя

На нём круговое вращающееся магнитное поле изображено в виде вращающихся полюсов постоянного магнита. Это представление является полной физической аналогией магнитного поля возбуждаемого обмотками статора и может использоваться всегда для наглядного отображения электромеханического взаимодействия.

Поместим в пространство между полюсами замкнутый проводник в виде прямоугольной рамки, подвешенной на оси OO′, вокруг которой вращается магнитное поле. Движение поля относительно рамки вызывает появление в ней ЭДС, а т.к. рамка замкнута, то под действием ЭДС в ней возникает электрический ток. Рамка с протекающим по ней током испытывает механическое воздействие со стороны магнитного поля, приводящее её во вращение. Воздействие магнитного поля на рамку в виде но только при наличии тока в рамке, который, в свою очередь, возникает в результате того, что магнитное поле движется относительно рамки. При равенстве скоростей вращения Ω1 = Ω, т.е. при синхронном вращении, поле будет неподвижно относительно рамки и не будет создавать вращающего момента, т.к. в рамке не будет индуцироваться ток.

Таким образом, устройство, показанное на рис. 4, работоспособно только при асинхронном движении поля и рамки и является простейшим асинхронным двигателем.

Вращающий момент в модели на рис. 4 можно увеличить, если вместо одной установить на оси несколько рамок. В результате образуется конструкция ротора асинхронного двигателя, состоящая из продольных стержней и замыкающих их по краям колец, называемая «беличья клетка» (рис. 5, а).

Рис. 5 Конструкция короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя «беличья клетка»

Электромагнитная сила, создающая вращающий момент, пропорциональна величине магнитной индукции, зависящей, при прочих равных условиях, от магнитных сопротивлений цепи, по которой замыкается магнитный поток. Главной составляющей магнитного сопротивления на пути потока являются воздушные зазоры, поэтому их необходимо заполнить ферромагнетиком. Эту функцию выполняет сердечник ротора (рис. 5, б) Он, также как сердечник статора, изготавливается из листов электротехнической стали, собирается в пакет и напрессовывается на вал. В листах сердечника вырублены отверстия, образующие при сборке пакета продольные каналы, которые заполняются расплавленным алюминием или медью. В результате создаётся обмотка ротора типа «беличья клетка». Ротор такой конструкции называется короткозамкнутым (рис. 5, в) и используется в подавляющем большинстве асинхронных двигателей.

Электрическая энергия в цепь ротора передаётся посредством магнитного поля, поэтому ротор не имеет контактов для подключения к внешним электрическим цепям, что существенно повышает надёжность двигателя и позволяет использовать его в условиях, в которых не могут эксплуатироваться другие типы машин, например, во взрывоопасных помещениях. Скорость вращения короткозамкнутого ротора ограничивается только условиями механической прочности его конструкции и опор, поэтому асинхронные короткозамкнутые двигатели используются в приводах со скоростями вращения до 300000 об/мин.

Более сложную конструкцию имеет так называемый фазный ротор.

Рис. 6 Конструкция фазного ротора асинхронного двигателя

В пазы пакета сердечника этого ротора уложены три фазные об мотки статора (1, рис. 6). Они соединены звездой, а начала обмоток выведены через контактные кольца 2 и щётки 3 и подключены к регулировочным реостатам 4. Асинхронные двигатели с фазным ротором используются в основном в регулируемом приводе подъёмно-транспортных механизмов, но в последнее время их вытесняют из этой области двигатели с короткозамкнутым ротором с питанием от преобразователей частоты.

Трехфазный асинхронный двигатель

Электрические двигатели — устройства, преобразовывающие электроэнергию, получаемую из распределительных сетей, в механическую энергию вращения. В состав любого двигателя входят следующие элементы: корпус для защиты от попадания пыли и влаги, неподвижная часть (статор), жестко прикрепленная к корпусу, неподвижные обмотки и магнитопроводы, часть, которая вращается (ротор). Ротор насаживается на вал, вращаемый в двух подшипниковых узлах. Конец выходит наружу, имеет канавку, где закрепляются шкивы или шестерные привода.

  • Работа трехфазных электродвигателей
    • Асинхронные двигатели
    • Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Узлы подшипников располагаются в пределах двух съемных крышек, закрывающих корпус с торцов, стягиваются между собой с помощью длинных шпилек (трех-четырех). В задней части вала размещена крыльчатка вентилятора, который обдувает и охлаждает обмотки.

Конструкция таких устройств отличается удобством обслуживания и проведения ремонта — их легко разобрать и собрать.

Асинхронные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Первые применяются преимущественно до мощности 2,2 кВт. Ограничение действует из-за большого пускового и рабочего тока. Принцип действия одинаковый, но у однофазных более низкий пусковой момент.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

  • Исключительной простотой, надежностью и долговечностью;
  • Удобством обслуживания и ремонта;
  • Возможностью изменять направление вращения ротора. Для это нужно всего лишь переключить два любые фазные провода;
  • Возможностью работы в качестве генератора: при применении электромагнитного торможения мотор начнет отдавать энергию в сеть.

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком. Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка.

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

  • Значительный пусковой ток, превышающий номинальный примерно в 5 раз. Это значит, что нужно устанавливать защитные автоматы двигателей только класса D.
  • Малый момент на валу при запуске. При значительной инерции понадобится двигатель большей мощности.