Устройство и эксплуатация асинхронных электродвигателей; Школа электриков: электротехника и электроника

Устройство и эксплуатация асинхронных электродвигателей; Школа электриков: электротехника и электроника

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Трехфазные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение в промышленности. Итак, рассмотрим устройство и принцип работы этих двигателей.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Чтобы понять, как работает такой движок, проведем следующий эксперимент.

Установите подковообразный магнит на ось так, чтобы его можно было повернуть ручкой. Поместите свободно вращающийся медный цилиндр на его ось между полюсами магнита.

Рисунок 1: Простейшая модель для создания вращающегося магнитного поля.

Начнем поворачивать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться, и, вращаясь, оно будет пересекать медный цилиндр с его силовыми линиями. В цилиндре по закону электромагнитной индукции возникнут вихревые токи, которые создадут собственное магнитное поле – поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, заставляя цилиндр вращаться в том же направлении, что и магнит.

Оказалось, что скорость вращения цилиндра немного меньше скорости вращения поля магнита.

Фактически, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, силовые линии магнитного поля не пересекают его, и, следовательно, внутри него не возникают вихревые токи, которые заставляют цилиндр вращаться.

Скорость вращения магнитного поля называется синхронной, потому что она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра – асинхронная (несинхронная). Поэтому сам двигатель называется асинхронным. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость ротора n1 и скорость поля n, мы можем вычислить процент скольжения по формуле:

В вышеупомянутом эксперименте мы получили вращающееся магнитное поле и результирующее вращение цилиндра из-за вращения постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем. Совершенно необходимо, чтобы электрический ток создавал вращающееся магнитное поле и использовал его для вращения ротора. Эта проблема была блестяще решена в свое время М. О. Доливо-Добровольским. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Схема асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольский

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского.

На полюсах железного сердечника круглой формы, называемого статором электродвигателя, расположены три обмотки трехфазной сети 0, установленные друг с другом под углом 120 °.

Внутри сердечника установлен аксиально металлический цилиндр, называемый ротором двигателя.

Если обмотки соединены вместе, как показано на рисунке, и подключены к трехфазной сети, общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, будет вращаться.

На рисунке 3 представлена ​​схема изменения токов в обмотках двигателя и процесс создания вращающегося магнитного поля.

Давайте подробнее рассмотрим этот процесс.

Рисунок 3: Генерация вращающегося магнитного поля

В позиции «A» на диаграмме ток первой фазы равен нулю, ток второй фазы отрицательный, а ток третьей фазы положительный. Ток через полюсные катушки будет течь в направлении, указанном стрелками на рисунке.

Используя правило правой руки для направления магнитного потока, создаваемого током, мы увидим, что южный полюс (S) будет сформирован на конце внутреннего полюса (обращенном к ротору) третьей катушки, а северный полюс ( N) образуется на полюсе второй катушки. Полный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В позиции «B» на схеме ток во второй фазе равен нулю, в первой – положительный, а в третьей – отрицательный. Ток через полюсные катушки формирует южный полюс (S) на конце первой катушки и северный полюс (C) на конце третьей катушки. Общий магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, то есть полюса сместятся на 120 °.

В позиции «B» на схеме ток в третьей фазе равен нулю, во второй – положительный, а в первой – отрицательный. Теперь ток, протекающий в первой и второй катушках, сформирует северный полюс (C) на конце полюса первой катушки и южный полюс (S) на конце полюса второй катушки, то есть полярность общее магнитное поле изменится еще на 120 °. В позиции “D” на рисунке магнитное поле сместится еще на 120 °.

Следовательно, общий магнитный поток будет менять свое направление при изменении тока в обмотках (полюсах) статора.

Магнитный поток совершит полный оборот за один период изменения тока в обмотках. Вращающийся магнитный поток обвивает цилиндр и мы получаем асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены звездой, но вращающееся магнитное поле также возникает, когда они соединяются треугольником.

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

Тот же эффект может быть достигнут без изменения обмоток статора, но путем направления сетевого тока с фазы 2 на фазу 3 и сетевого тока с фазы 3 на фазу 2.

Благодаря этому можно менять направление вращения магнитного поля, переключая любые две фазы.

Мы рассмотрели конструкцию асинхронного двигателя с тремя обмотками статора. В этом случае вращающееся магнитное поле является биполярным, и количество оборотов в секунду равно количеству изменений тока в секунду.

Если на статоре по периметру разместить шесть обмоток, будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле. Если обмоток девять, поле шестиполюсное.

Читайте также:  Зачем нужен трехходовой клапан и на что следует обращать внимание при его выборе?

Если частота трехфазного тока f равна 50 периодам в секунду, т. е. 3000 в минуту, то число оборотов n вращающегося поля в минуту равно

с биполярным статором n = (50 x 60) / 1 = 3000 об / мин,

в случае четырехполюсного статора n = (50 x 60) / 2 = 1500 оборотов.

в случае шестиполюсного статора n = (50 x 60) / 3 = 1000 об.

когда количество пар полюсов статора равно p: n = (f x 60) / p,

Таким образом, мы определили скорость вращения магнитного поля и ее зависимость от числа витков на статоре двигателя.

Ротор двигателя, как известно, будет немного отставать по оборотам.

Однако отставание ротора очень мало. Так, например, при работе двигателя на холостом ходу разница в оборотах всего 3%, а при нагрузке 5-7%. Следовательно, скорость асинхронного двигателя очень мало изменяется при изменении нагрузки, что является одним из его преимуществ.

Теперь рассмотрим устройство асинхронных электродвигателей.

Статор современного асинхронного электродвигателя не имеет полюсов, т. е. внутренняя поверхность статора полностью гладкая.

Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник статора изготовлен из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закреплен в стальном корпусе.

В пазы статора прокладывается обмотка из медного провода. Фазные обмотки статора электродвигателя соединены звездой или треугольником, для этого все начала и концы обмоток выведены в корпус – к специальной изолирующей крышке. Такое расположение статора очень удобно, поскольку позволяет переключать его обмотки на различные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, как и статор, собран из штампованных стальных листов. Обмотка помещается в пазы ротора.

Асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с постоянными магнитами.

Обмотка ротора с короткозамкнутым ротором изготовлена ​​из медных стержней, которые вставляются в пазы ротора. Концы стержней соединены медным кольцом. Такая обмотка называется клеточной. Обратите внимание, что медные шины в пазах не изолированы.

На некоторых двигателях многороторный сепаратор заменен литым ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактным кольцом) обычно используется в двигателях большой мощности и там, где требуется, чтобы двигатель создавал высокое пусковое усилие. Это достигается включением реостата в обмотку фазного двигателя.

Есть два метода запуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором:

1) Путем прямого подключения трехфазного сетевого напряжения к статору двигателя. Этот способ самый простой и популярный.

2) Снижение напряжения, приложенного к обмоткам статора. Это напряжение снижается, например, за счет изменения обмотки статора со звезды на треугольник.

Двигатель запускается с обмоткой статора, соединенной звездой, и когда ротор достигает нормальной скорости, обмотка статора переключается на соединение треугольником.

При таком способе пуска двигателя ток в проводниках уменьшается в три раза по сравнению с током, который мог бы возникнуть при пуске двигателя при прямом подключении к сети с обмоткой статора, соединенной треугольником. Однако этот метод подходит только в том случае, если статор рассчитан на нормальную работу с обмотками, соединенными треугольником.

Самым простым, дешевым и надежным является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, но у него есть некоторые недостатки – низкая пусковая мощность и большой пусковой ток. Эти недостатки в значительной степени устраняются за счет использования ротора с фазовой обмоткой, но использование такого ротора намного дороже для двигателя и требует пускового реостата.

Типы асинхронных двигателей

Основной тип асинхронных машин – трехфазный асинхронный двигатель. Он имеет три обмотки статора, смещенные в пространстве на 120 °. Обмотки соединены звездой или треугольником и запитаны трехфазным переменным током.

Малогабаритные двигатели обычно проектируются как двухфазные. В отличие от трехфазных двигателей, они имеют две обмотки статора, токи которых должны быть сдвинуты на π / 2 для создания вращающегося магнитного поля.

Если токи обмоток равны по модулю и не совпадают по фазе на 90 °, работа такого двигателя не будет отличаться от работы трехфазного двигателя. Однако такие двигатели с двумя обмотками статора в большинстве случаев питаются от однофазной сети, а фазовый сдвиг, приближающийся к 90 °, создается искусственно, обычно с помощью конденсаторов.

Однофазный двигатель с одной обмоткой статора практически не работает. Если ротор неподвижен, в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле, а крутящий момент равен нулю. Однако если ротор такой машины разогнаться до определенной скорости, то он сможет выполнять функции двигателя.

В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но состоящее из двух симметричных – прямого и обратного, которые создают неравные моменты – большего крутящего момента двигателя и меньшего тормозного момента, возникающего из-за токов ротора с повышенной частотой (скольжение относительно к обратному синхронному полю больше 1).

По этой причине однофазные двигатели снабжены второй обмоткой, которая служит пусковой обмоткой. Эта обмотка содержит конденсаторы, емкость которых может быть достаточно большой (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт) для создания фазового сдвига.

Двухфазные двигатели, иногда называемые исполнительными механизмами, используются в системах управления. У них две обмотки статора, которые смещены в пространстве на 90 °. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, напрямую подключена к сети 50 Гц или 400 Гц. Вторая служит обмоткой управления.

Ток в обмотке управления должен быть смещен на угол, близкий к 90 °, чтобы создать вращающееся магнитное поле и соответствующий крутящий момент. Регулировка скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется путем изменения значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс происходит за счет изменения фазы тока управляющей обмотки на 180 ° (переключение обмоток).

Читайте также:  Диммерный переключатель: виды и подключение

Двухфазные двигатели доступны в нескольких версиях:

с короткозамкнутым ротором,

Крыльчатка с полой корзиной, немагнитная,

с полым магнитным ротором.

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение рабочей машины всегда связано с необходимостью использования определенных механических узлов: зубчатых брусьев, винтов и т. Д. Поэтому иногда целесообразно делать двигатель с линейным движением рабочей машины. ротор (название «ротор» в данном случае можно принять лишь условно – как движущийся орган).

В этом случае двигатель называется реверсивным. Обмотка статора линейного двигателя выполнена так же, как и поршневого двигателя, с той разницей, что она должна располагаться в пазах по всей длине максимально возможного перемещения роторной дорожки. Бегунок-ротор обычно компактный, с ним шарнирно соединен рабочий орган механизма. Конечно, на концах статора должны быть упоры, которые не позволят ротору выйти за рабочие пределы дорожки.

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на нее в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Не пропустите обновление, подписывайтесь на наши соцсети:

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Учитывая, что электроэнергия традиционно поставляется потребителям путем подачи переменного тока, понятно стремление к созданию электрических машин, работающих на переменном токе. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих сферах деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который по многим причинам занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности – прежде всего в простоте конструкции и невысокой стоимости производства. Есть и другие преимущества двигателей с короткозамкнутым ротором, о которых вы узнаете из этой статьи. Для начала рассмотрим конструктивные особенности электродвигателя данного типа.

Конструкция

Каждый электродвигатель имеет две важные рабочие части: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. На валу ротора установлен вентилятор, охлаждающий провода обмотки. Это общий принцип конструкции для всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от конструкции этих частей в электродвигателях других типов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, рассчитанные на трехфазное напряжение, расположены по окружности под углом 120 °. Они имеют изолированные обмотки из медных проводов определенного сечения и соединены треугольником или звездой. Конструкция обмотки статора жестко закреплена на стенках цилиндрического корпуса.

Конструкция электродвигателя показана на рис. 1. Следует обратить внимание на безсердечную конструкцию обмотки в компактном роторе.

Рисунок 1. Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Конструкция ротора немного отличается. Его конструкция намотки очень похожа на беличью клетку. Он состоит из алюминиевых стержней, концы которых закрыты короткозамыкающими кольцами. В двигателях большой мощности медные стержни используются в качестве компактных обмоток ротора. Этот металл имеет низкое удельное сопротивление, но стоит дороже алюминия. Кроме того, медь плавится быстрее, что нежелательно, поскольку вихревые токи могут сильно нагреть сердечник.

Конструктивно сердечники размещены на сердечниках ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники устанавливаются на вал, а обмоточные провода запрессовываются (отливаются) в пазы магнитопровода. В этом случае нет необходимости изолировать зазоры жилы. На рисунке 2 представлена ​​фотография ротора с закороченными обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с закороченными обмотками.

Пластины магнитопровода таких роторов не требуют изоляции лакокрасочной поверхности. Они очень просты в изготовлении, что снижает стоимость асинхронных двигателей, доля которых в общем количестве электродвигателей составляет до 90%.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими частями есть минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный люфт составляет от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

    отдельная фаза; двухфазный; трехфазный.

Они различаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазной обмоткой отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие стартовые свойства. Часто эти моторы имеют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две обмотки статора, расположенные перпендикулярно друг другу, и каждая питается переменным током. Их часто используют в однофазных сетях – одна обмотка подключается непосредственно к фазе, а конденсатор фазовращателя используется для питания другой обмотки. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя само по себе не запустится. Из-за того, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного двигателя, такие двигатели еще называют конденсаторными двигателями.

Однофазный двигатель использует только одну рабочую обмотку. Дроссельная катушка используется для запуска ротора, который включается на короткое время или закорачивается через конденсатор. Эти маленькие моторы используются в качестве электропривода некоторых бытовых приборов.

Принцип работы

Асинхронный двигатель работает на основе свойства трехфазного тока, который способен создавать вращающееся магнитное поле в обмотках статора. В рассматриваемых электродвигателях частота синхронного вращения электромагнитного поля прямо пропорциональна собственной частоте переменного тока.

Между частотой вращения и количеством пар полюсов в обмотках статора существует обратная зависимость. Учитывая, что фазовый сдвиг составляет 60º, зависимость скорости вращения ротора (в об / мин) можно выразить формулой:

Читайте также:  Как выбрать лучшую йогуртницу: виды, критерии выбора, важные особенности, обзор 6 популярных моделей, их достоинства и недостатки

В результате магнитной индукции на сердечнике ротора в нем будет образовываться ЭДС, которая в свою очередь создаст электрический ток в замкнутом проводнике. Создается сила в амперах, которая заставляет замкнутый контур начать вращаться за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного ниже скорости магнитного поля, создаваемого в статоре. При совпадении частот магнитный поток прекращается, ток в обмотках ротора пропадает, и сила перестает действовать. Как только частота вращения вала уменьшается за счет переменных токов магнитных полей, действие амперной силы восстанавливается.

Разница в частоте вращения магнитных полей называется частотой скольжения: n s = п 1 -n 2 а относительное значение s, характеризующее задержку, называется скольжением.

s = 100% * (n s / п 1 ) = 100% * (n 1 – п 2 ) / п 1, где n s – частота скольжения; п 1, п 2 – частоты вращения магнитных полей статора и ротора соответственно.

Для уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций импульса компактные стержни катушек слегка изогнуты. Посмотрите еще раз на рис. 2 и обратите внимание на положение стержней, которые действуют как обмотка ротора, по отношению к оси вращения.

Скольжение зависит от механической нагрузки, приложенной к валу двигателя. В асинхронных электродвигателях изменчивость параметров скольжения находится в диапазоне от 0 до 1. А в режиме холостого хода набравший обороты ротор практически не имеет активного сопротивления. S близка к нулю.

Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигать единицы во время остановки двигателя из-за перегрузки. Это состояние эквивалентно короткому замыканию и может привести к неисправности оборудования.

Величина относительного замедления, соответствующая номинальной нагрузке электрической машины, называется номинальным скольжением. Для электродвигателей малой и средней мощности эта величина колеблется в небольшом диапазоне – от 8% до 2%. При неподвижном роторе электродвигателя скольжение равно 0, а на холостом ходу приближается к 100%.

При запуске электродвигателя его обмотки подвергаются нагрузке, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. Электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой после выхода на номинальную мощность сами восстанавливают номинальную частоту ротора.

Обратите внимание на кривую момента скольжения на рис.3.

Рис. 3. Кривая крутящего момента при переключении

По мере увеличения крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. Сегмент «область двигателя»). Скорость вращения вала также увеличивается. Если скорость вращения вала превышает номинальную частоту, крутящий момент станет отрицательным, и двигатель перейдет в генераторный режим (сегмент «генерирующая зона»). В этом режиме ротор встречает магнитное сопротивление, которое приводит к торможению двигателя. Процесс колебаний будет повторяться до тех пор, пока крутящий момент не стабилизируется и скольжение не приблизится к номинальному значению.

Преимущества и недостатки

Широкое распространение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обусловлено следующими преимуществами:

    стабильность работы при оптимальной нагрузке; высокая эксплуатационная надежность; низкие эксплуатационные расходы; долговечность эксплуатации без обслуживания; относительно высокий КПД; невысокая стоимость по сравнению с моделями на фазных роторах и других типах электродвигателей.

К недостаткам можно отнести:

    высокие пусковые токи; чувствительность к колебаниям напряжения; низкие коэффициенты скольжения; необходимость использования таких устройств, как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др. для улучшения характеристик электродвигателей; Электродвигатели с короткозамкнутым ротором требуют дополнительных устройств управления при необходимости регулировки частоты вращения.

Электродвигатели этого типа обладают достойными механическими характеристиками. Несмотря на эти недостатки, они лидируют в приложениях.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя меняются его технические характеристики. В этой статье не предполагается перечисление параметров всех существующих классов двигателей. Остановимся на описании основных технических характеристик электродвигателей классов с 56 А2 до 80 В2.

За этот короткий промежуток времени в модельном ряду электродвигателей с короткозамкнутым ротором можно отметить:

Диапазон мощности составляет от 0,18 кВт (класс 56 A2) до 2,2 кВт (класс 80 B2).

Сила тока при максимальном напряжении колеблется от 0,55А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Скорость вращения вала для всех моделей в данном диапазоне составляет 3000 об / мин.

Технические характеристики данного двигателя указаны в его каталожной карточке.

Подключение

Трехфазные обмотки статора ADKR могут быть соединены треугольником или звездой. Напряжение, необходимое для соединения звездой, выше, чем для соединения треугольником.

Следует помнить, что двигатель, по-разному подключенный к одной и той же электросети, потребляет разную мощность. По этой причине электродвигатель, предназначенный для подключения звезда-треугольник, не может быть подключен по схеме треугольника. Однако, чтобы уменьшить пусковой ток, контакты звезды можно сделать треугольником во время броска, но тогда пусковой момент также будет уменьшен.

Схемы подключения показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Соединительные диаграммы

Для подключения трехфазного электродвигателя к однофазному электричеству следует использовать формовочные элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких соединений можно найти на рисунке 5. Вызов в звезду или треугольник можно использовать.

Рисунок 5. Примеры соединений в однофазной системе

Чтобы контролировать работу двигателя, в цепь статора активированы дополнительные устройства.

Оцените статью
Добавить комментарий