Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Содержание

Принцип действия асинхронного двигателя

Рассмотрим устройство, показанное на рис.  Оно состоит из постоянного магнита 1, медного диска 2, рукоятки 3 и подшипников 4. Если вращать магнит при помощи рукоятки, то медный диск начинает вращаться в ту же сторону, но с меньшей частотой. Медный диск можно рассматривать как бесчисленное множество замкнутых витков; при вращении магнита 1 его магнитные силовые линии (м.с.л.) пересекают витки диска, и в витках наводится электродвижущая Модель асинхронного двигателя

Обозначим:
п, — частота вращения магнита (синхронная частота), об/мин; п2 — частота вращения диска, об/мин; п — разность частот вращения магнита и диска, об/мин.
Частота вращения диска меньше частоты вращения магнита, и, следовательно, диск вращается с несинхронной (асинхронной) частотой. Разница частот магнита и диска представляет собой частоту, с которой м.с.л. пересекают витки диска. Отношение разницы частот к синхронной частоте называется скольжением. Скольжение может быть выражено в долях единицы или в процентах:

В двигателях вращающееся магнитное поле создается трехфазным током, протекающим по обмотке статора, а роль диска выполняет обмотка ротора. Активная сталь статора и ротора служит магнитопроводом, уменьшающим в сотни раз сопротивление магнитному потоку.
Под влиянием подведенного к статору напряжения сети Ul в его обмотке протекает ток I,. Этот ток создает вращающийся магнитный поток Ф, замыкающийся через статор и ротор. Поток создает в обеих обмотках э.д.с. Е{ и Е2, как в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, асинхронный двигатель подобен трехфазному трансформатору, в котором э.д.с. создаются вращающимся магнитным потоком. Рис. 2 . Работа асинхронного двигателя при cos ф2 = 1
Пусть поток вращается в направлении движения стрелки часов. Под влиянием э.д.с. Е2 в обмотке ротора пойдет ток I2, направление которого показано на рис. 2. Предположим, что он совпадает по фазе с Е2. Взаимодействие тока I2 и потока Ф создает электромагнитные силы F, приводящие ротор во вращение, вслед за вращающимся потоком. Таким образов, асинхронный двигатель представляет собой трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой и способный поэтому превращать электрическую мощность E2I2 cos ф в механическую.
Ротор всегда отстает от вращающегося магнитного потока, так как только в этом случае может возникать э.д.с. Е2, а следовательно, ток 12 и силы F. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить направление вращения потока. Для этого меняют местами два любых провода, подводящие ток от сети к статору. В этом случае меняется порядок следования фаз ABC на АСВ или ВАС, и поток вращается в обратную сторону.
Ротор двигателя вращается с асинхронной частотой п2, поэтому и двигатель называется асинхронным. Частоту вращения магнитного потока называют синхронной частотой п1. Частота вращенияротора Теоретически скольжение меняется от 1 до 0 или от 100% до 0, так как при неподвижном роторе в первый момент пуска п2 — 0; а если вообразить, что ротор вращается синхронно с потоком, п2 = пх.
Чем больше нагрузка на валу, тем меньше скорость ротора п2 и следовательно больше S, так как больший тормозной момент должен уравновеситься вращающим моментом; последнее возможно только при увеличении Е2 и I2, а значит и S. Скольжение при номинальной нагрузке SH у асинхронных двигателей равно от 1 до 7%; меньшая цифра относится к мощным двигателям.

Как действуют асинхронные электромоторы

Среди всех агрегатов переменного тока, чаще всего во многих сферах используются асинхронные двигатели трехфазного тока. Общий принцип работы асинхронного мотора очень простой и будет рассмотрен ниже. Их количество составляет примерно 90% от всех выпускаемых изделий этого типа. Данные устройства широко используются в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и многих других областях.

Агрегаты асинхронного типа также, как и другие, выпускаются и используются для трансформации переменного тока в механическую работу вала. Если объяснять по-простому, для чайников, понятие асинхронный возникло из-за разницы, возникающей между частотами, с которыми вращаются магнитные поля статоров и роторов. Частота у статора во всех случаях превышает частоту вращения ротора.

Конструкция асинхронного двигателя

В конструкцию асинхронного электродвигателя входят две основные детали – статор и ротор.

Для изготовления статора используются стальные листы, а сам он имеет форму цилиндра. В пазы конструкции укладываются обмотки из медных проводников. Их оси сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. Соединение между собой концов каждой обмотки осуществляется по разным вариантам – в виде звезды или треугольником.

Роторные части асинхронных моторов изготавливаются в двух вариантах. В первом случае это изделия с короткозамкнутым ротором, собираемым в форме сердечника из стальных пластинок. В его пазы заливается алюминий в расплавленном виде, что приводит к образованию стержней, коротко замкнутых с торцевыми кольцами. В агрегатах повышенной мощности алюминиевый расплав по технологии заменяется медью.

Второй вариант представляет собой фазный ротор, имеющий такую же трехфазную обмотку, аналогичную обмотке у статора. Как правило, соединение обмоток в этом случае осуществляется звездой, а их свободные концы соединяются с контактными кольцами. Эти же кольца соединяются со щетками, обеспечивающими использование добавочного резистора. Данный элемент уменьшает слишком высокое значение пусковых токов.

Когда к обмотке трехфазного статора подается напряжение, во всех фазах возникает магнитный поток, изменяющийся с такой же частотой, как и в поступающем напряжении. У всех магнитных потоков имеется сдвиг на 120 градусов по отношению друг к другу. В результате образуется общий магнитный поток, который и обеспечивает собственное вращение. Он оказывает влияние на проводники роторных обмоток и создает в них ЭДС.

Образовавшийся ток начинает взаимодействовать с магнитным потоком статора, что, в результате, приводит к возникновению пускового момента электромотора. То есть, ротор устремляется к повороту в том же самом направлении, в каком осуществляется вращение магнитного поля статора. После того как пусковой момент превысит тормозной момент ротора, вал двигателя начнет вращаться.

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

Виды электродвигателей: устройство, принцип работы

Подключение асинхронного электродвигателя

Схема реверса электродвигателя с магнитным пускателем

Крановые электродвигатели

Принцип действия синхронного двигателя

Принцип действия [ править | править код ]

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

  • короткозамкнутым;
  • фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f : n c = 60 f p =<60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для p = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c > = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

  • Электродвигатели постоянного токаИспользуются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.
  • Электродвигатели переменного токаПользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.
  • Шаговые электродвигателиДействуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.
  • СерводвигателиОтносятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.
  • Линейные электродвигателиОбладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.
  • Синхронные двигателиЯвляются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.
  • Асинхронные двигателиТакже, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Независимо от типа электрической машины (синхронная или асинхронная, коллекторная или бесколлекторная) все они обладают следующими техническими характеристиками:

  • количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
  • мощность электрическая и на валу;
  • схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
  • класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

Виды мощности:

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

Достоинства и недостатки[ | ]

Вентильные двигатели призваны объединить в себе лучшие качества двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока. Это обусловливает их достоинства.

Достоинства:

  • Широкий диапазон изменения частоты вращения
  • Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих частого обслуживания (коллектора)
  • Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
  • Большая перегрузочная способность по моменту
  • Высокие энергетические показатели (КПД выше 90 %)
  • Большой срок службы и высокая надёжность за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.

Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых — высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.

Недостатки:

  • Высокая стоимость двигателя, обусловленная частым использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора. Стоимость электропривода с ВД, однако, сопоставима со стоимостью аналогичного электропривода на основе ДПТ с независимым возбуждением (регулировочные характеристики такого двигателя и ВД сопоставимы). Вообще говоря, в вентильном двигателе может быть использован и ротор с электромагнитным возбуждением, однако это сопряжено с комплексом практических неудобств. В ряде случаев предпочтительным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.
  • Относительно сложная структура двигателя и управление им.

Классификация электродвигателей

Сегодня в промышленной и бытовой технике используется несколько типов электромоторов, которые относятся к нескольким классам оборудования. В свою очередь двигатели классифицируют по нескольким критериям, основным из которых является тип питающего напряжения. В зависимости от питающего напряжения электродвигатели разделяют на три типа:

  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • универсальные электромоторы, работающие и от постоянного, и от переменного тока.

Каждый из этих типов имеет несколько конструктивных реализаций, разделяющих большую группу электромоторов на несколько подгрупп по особенностям конструкции системы возбуждения электромагнитных полей и управления работой мотора.

Двигатели постоянного тока в свою очередь разделяются на две подгруппы:

  • щеточные двигатели с разными вариантами подключения обмоток возбуждения электромагнитных полей в роторе и статоре, а также с постоянными магнитами;
  • бесщеточные электромоторы постоянного тока с электронной системой управления, которая генерирует вращающееся электрическое поле заданной частоты.

Область применения двигателей постоянного тока определяется их особенностями и такими преимуществами:

  • высокий коэффициент полезного действия;
  • высокий крутящий момент вне зависимости от частоты вращения;
  • компактные размеры по сравнению с электромоторами переменного тока равной мощности;
  • простая система управления частотой и направлением вращения вала;
  • возможность работы в режиме генератора в системах рекуперативного возврата электроэнергии в питающую сеть в режиме торможения.

Благодаря этим преимуществам и особенностям двигатель постоянного тока получил широкое применение для решения различных задач, связанных с:

  • приводом электротранспорта разного типа;
  • использованием в крановых системах;
  • применением в качестве сервоприводов разного назначения;
  • использованием в миниатюрных устройствах бытового и специального назначения. Как правило для этих целей используют электродвигатели с постоянными магнитами.

Наибольшее распространение в технике получили двигатели с коллектором и щетками, расположенными на роторе, которые определяют несколько основных недостатков двигателя этого типа:

  • необходимость периодического обслуживания;
  • значительный создаваемый шум при работе;
  • возможность возникновения искр и неприятного запаха.

В зависимости от способа соединения обмоток ротора и статора в щеточных электродвигателях постоянного тока различают четыре вида коммутации обмоток, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и область оптимального использования. К ним относятся:

  • соединение с последовательным возбуждением электромагнитного поля;
  • подключение с параллельным возбуждением;
  • коммутация со смещенным возбуждением;
  • использование электромотора с постоянными магнитами, как правило на статоре мотора.

Схемы и способы подключения

Так как есть несколько обмоток внутри двигателя — обмотки статора, — и сеть переменного тока бывает однофазной, а бывает трехфазной, то и схема включения всего этого хозяйства допускает вариации.

Обмоток на статоре обычно три. Ну а если их больше, то все равно обмотки каждой фазы внутри уже соединены последовательно. То есть в качестве выходных клемм максимум может быть 6. И их подсоединить к сети можно по-разному. Систем обозначений клемм две. На старых обозначались буквами С и цифрами 1,2,3 — начала обмоток; цифрами 4,5,6 — концы обмоток. В новых обозначениях для разных обмоток употребляются буквы U, V, W, а для начал и концов цифры 1 и 2 соответственно.


Клеммы обмоток могут быть на двигателе выведены наружу, и можно самостоятельно подключить трехфазный двигатель к сети переменного тока

Как подключить двигатель по схеме «звезда»

При соединении обмоток по типу «звезда» концы обмоток нужно объединить, а на клеммы начала обмоток подать напряжения фаз из сети.


Подключение трехфазного электродвигателя по схеме «Звезда»

Здесь использованы обозначения клемм электродвигателей трехфазных, применяемые на схемах, старые и новые

При подключении типа «звезда» нулевой провод из сети желательно подавать на общую клемму двигателя. Это защитит его от порчи в случае перекоса фаз в сети.

Как подключить электромотор по схеме «треугольник»

Подключить трехфазный двигатель обмотками в «треугольник» в сеть переменного тока не сложнее. Надо начало одной обмотки соединять с концом следующей. И еще все начала подключить к фазным проводам переменного тока.


Подключение асинхронного двигателя по схеме «треугольник»


Клеммник для подключения асинхронного электродвигателя по типу «Звезда»

Два эти подключения — «звезда» и «треугольник» — в сети дают разные результаты по токам и мощностям. В «звезде» на каждую обмотку подано фазное напряжение 220 В, а две обмотки вместе нагружены линейным напряжением в 380 В. Протекающие в обмотках токи при этом меньше, чем при конфигурации «треугольник». Отсюда и работа отличается: «звезда» дает мягкий запуск, но при работе развивает меньшую мощность, чем «треугольник». Зато «треугольник» при запуске дает большие стартовые токи, превышающие номинал раз в 7–8.

Чтобы сочетать преимущества обеих конфигураций, коммутацию делает особая схема. Она при запуске двигателя коммутирована как «звезда», а при достижении определенной мощности переключается в вариант «треугольник». В этом случае (и в других случаях с постоянными подключениями обмоток), на входном клеммнике оставляют только 3 или 4 клеммы, и вариантов по переключению обмоток по своему усмотрению не остается. В этом случае просто подключаются фазы в нужном порядке.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть

Трехфазное напряжение нашей сети можно представить как одну и ту же фазу, только повторенную еще два раза со сдвигом, сначала на 120°, потом плюс еще на столько же, то есть в результате на 240°. И такое напряжение вполне схематически посильно «добыть» из одной выделенной фазы. Однако когда мы запускаем «бегущее поле» статора, совсем не обязательно делать его именно с таким сдвигом между поданными на обмотки фазами. Потому что увеличение количества полюсов в обмотках проявляется как уменьшение скорости вращения, но механизм работает. Поэтому разработаны простые схемы получения сдвинутых фаз из однофазной линии не под таким углом, а под 90°. Это можно сделать простой схемой, дающей подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть с применением одного конденсатора. Результатом является снижение мощности двигателя. При маркировке двигателей, которые можно использовать в однофазной сети 220 В и в сети 380 В трехфазной, так и пишется — двигатель 220/380, а который предназначен для работы только в трехфазной — двигатель 380.


Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220 В типа «Треугольник» и «Звезда»

Схема подключения «звезда» в этом случае дает потерю мощности, поэтому для более полного использования двигателя при подключении к однофазному напряжению чаще применяют «треугольник».

Теплоизоляция статора

Электродвигатель при работе подвержен достаточно сильному нагреву – до 100-145 0С. Для сохранения работоспособности, защиты деталей и узлов от перегрева на валу двигателя имеется крыльчатка вентилятора, производящая обдув ротора и статора. Кроме того, для защиты обмоток статора применяются различные термоизолирующие материалы, такие как:

  • Прокладки на базе компонентов из слюды и специальных картонов;
  • Термоизолирующие материалы из стеклоткани;
  • Термостойкие пропиточные лаки.

Правильное технологическое применение таких теплоизоляционных компонентов обеспечивает долгую надежную и бесперебойную работу электродвигателей.