Асинхронный электродвигатель принцип работы

Конструкционные отличия синхронного и асинхронного двигателя

Трехфазный генератор – принцип работы и его устройство

Электротехника: Электрические машины

Асинхронный двигатель. Принцип работы. Виды асинхронного двигателя

Одним из самых распространённых электродвигателей, который используется в большинстве устройств электропривода, является асинхронный двигатель. Этот двигатель называют асинхронным (не-синхронный) по той причине, что его ротор вращается с меньшей скоростью, чем у синхронного двигателя, относительно скорости вращения вектора магнитного поля.

Необходимо объяснить, что такое синхронная скорость.

Синхронная скорость – это такая скорость, с которой вращается магнитное поле в роторной машине, если быть точным, то это угловая скорость вращения вектора магнитного поля. Скорость вращения поля зависит от частоты протекающего тока и количества полюсов машины.

Асинхронный двигатель всегда работает на скорости меньшей, чем скорость синхронного вращения, потому как магнитное поле, которое образовано обмотками статора, будет генерировать встречный магнитный поток в роторе. Взаимодействие этого сгенерированного встречного магнитного потока с магнитным потоком статора сделает так, что ротор начнёт вращаться. Так как магнитный поток в роторе будет отставать, то ротор никогда не сможет самостоятельно достигнуть синхронной скорости, то есть такой же с какой вращается вектор магнитного поля статора.

Существует два основных типа асинхронного двигателя, которые определяются по типу подводимого питания. Это:

• однофазный асинхронный двигатель;
• трёхфазный асинхронный двигатель.

Следует заметить, что однофазный асинхронный двигатель не способен самостоятельно начинать движение (вращение). Для того, чтобы он начал вращаться, необходимо создать некоторое смещение из положения равновесия. Это достигается различными способами, с помощью дополнительных обмоток, конденсаторов, переключений в момент пуска. В отличие от однофазного асинхронного двигателя, трёхфазный двигатель способен начинать самостоятельное движение (вращение) без внесения каких-либо изменений в конструкцию или условия пуска.

От двигателей постоянного тока (DC) асинхронные двигатели переменного тока (AC) конструктивно отличаются тем, что питание подаётся на статор, в отличие от двигателя постоянного тока, в котором через щёточный механизм подаётся питание на якорь (ротор).

Принцип работы асинхронного двигателя

Подавая напряжение только на обмотку статора, асинхронный двигатель начинает работать. Интересно знать, как это работает, почему так происходит? Это очень просто, если понять, как происходит процесс индукции, когда в роторе индуцируется магнитное поле. Например, в машинах постоянного тока, приходится отдельно создавать магнитное поле в якоре (роторе) не через индукцию, а посредством щёток.

Когда мы подаём напряжение на обмотки статора, в них начинает протекать электрический ток, который создаёт магнитное поле вокруг обмоток. Далее, от многих обмоток, которые расположены на магнитопроводе статора формируется общее магнитное поле статора. Это магнитное поле характеризуется магнитным потоком, величина которого изменяется во времени, кроме этого направление магнитного потока меняется в пространстве, а точнее оно вращается. В итоге получается, что вектор магнитного потока статора вращается как раскрученная праща с камнем.

В полном соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в роторе, который имеет короткозамкнутую обмотку (короткозамкнутый ротор). В этой роторной обмотке будет протекать наведённый электрический ток, так как цепь замкнута, и она находится в режиме короткого замыкания. Этот ток точно также как и питающий ток в статоре будет создавать магнитное поле. Ротор двигателя становится магнитом внутри статора, который имеет магнитное вращающееся поле. Оба магнитных поля от статора и ротора начнут взаимодействовать, подчиняясь законам физики.

Так как статор неподвижен и его магнитное поле вращается в пространстве, а в роторе индуцируется ток, что фактически делает из него постоянный магнит, подвижный ротор начинает вращаться потому, как магнитное поле статора начинает его толкать, увлекая за собой. Ротор как бы сцепляется с магнитным полем статора. Можно сказать, что ротор стремится вращаться синхронно с магнитным полем статора, но для него это недостижимо, так как в момент синхронизации магнитные поля компенсируют друг друга, что приводит к асинхронной работе. Другими словами при работе асинхронного двигателя ротор скользит в магнитном поле статора.

Скольжение может быть как с запаздыванием, так и с опережением. Если происходит запаздывание, то имеем двигательный режим работы, когда электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, если скольжение происходит с опережением ротора, то имеем генераторный режим работы, когда механическая энергия преобразуется в электрическую.

Создаваемый крутящий момент на роторе зависит от частоты переменного тока питания статора, а также от величины напряжения питания. Изменяя частоту тока и величину напряжения можно влиять на крутящий момент ротора и тем самым управлять работой асинхронного двигателя. Это справедливо как для однофазных, так и трёхфазных асинхронных двигателей.

Виды асинхронного двигателя

Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:

• С раздельными обмотками (Split-phase motor);
• С пусковым конденсатором (Capacitor start motor);
• С пусковым конденсатором и рабочим конденсатором (Capacitor start capacitor run induction motor);
• Со смещённым полюсом (Shaded-pole motor).

Трёхфазный асинхронный двигатель делится на следующие виды:

• С короткозамкнутым ротором в виде беличьей клетки (Squirrel cage induction motor);
• С контактными кольцами, фазным ротором (Slip ring induction motor);

Как было упомянуто выше, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно начинать движение (вращение). Что следует понимать под самостоятельностью? Это когда машина начинает работать автоматически без какого-либо влияния из внешней среды. Когда мы включаем бытовой электроприбор, например вентилятор, то он начинает работать сразу же, от нажатия клавиши. Необходимо отметить, что в быту используется однофазный асинхронный двигатель, например двигатель в вентиляторе. Как же происходит такой самостоятельный запуск, если выше сказано, что такой тип двигателей его не допускает? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе надо изучить способы пуска однофазных моторов.

Почему трёхфазный асинхронный двигатель самозапускающийся?

В трёхфазной системе каждая фаза относительно двух других имеет угол равный 120 градусов. Все три фазы, таким образом, расположены равномерно по кругу, круг имеет 360 градусов, а это три раза по 120 градусов (120+120+120=360).

Если рассмотреть три фазы, А, B, C, то можно заметить, что лишь одна из них в начальный момент времени будет иметь максимальное значение моментального значения напряжения. Вторая фаза будет увеличивать значение своего напряжения вслед за первой, а третья фаза будет следовать за второй. Таким образом, мы имеем порядок чередования фаз A-B-C по мере нарастания их значения и возможен другой порядок в порядке убывания напряжения C-B-A. Даже если записать чередование иначе, например вместо A-B-C, написать B-C-A, то чередование останется прежним, так как цепочка чередования в любом порядке образует замкнутый круг.

Как же будет вращаться ротор асинхронного трёхфазного двигателя? Так как ротор увлекается магнитным полем статора и скользит в нем, то совершенно очевидно, что ротор будет двигаться в направлении вектора магнитного поля статора. В какую сторону будет вращаться магнитное поле статора? Так как обмотка статора трёхфазная и все три обмотки расположены равномерно на статоре, то образованное поле будет вращаться в направлении чередования фаз обмоток. Отсюда делаем вывод. Направление вращения ротора зависит от порядка чередования фаз обмоток статора. Изменив порядок чередования, фаз мы получим вращение двигателя в противоположную сторону. На практике, для изменения вращения двигателя достаточно поменять на местами две любые питающие фазы статора.

Почему однофазный асинхронный двигатель не начинает вращаться самостоятельно?

По той причине, что он питается от одной фазы. Магнитное поле однофазного двигателя является пульсирующим, а не вращающимся. Основная задача запуска заключается в создании из пульсирующего поля вращающегося. Эта проблема решается с помощью создания смещения фазы в другой обмотке статора с помощью конденсаторов, индуктивностей и пространственного расположения обмоток в конструкции двигателя.

Необходимо отметить, что однофазные асинхронные двигатели эффективны в использовании при наличии постоянной механической нагрузки. Если нагрузка меньше и двигатель работает, не достигая своей максимальной нагрузки, то его эффективность значительно снижается. Это является недостатком однофазного асинхронного двигателя и поэтому, в отличии от трёхфазных машин, их применяют там, где механическая нагрузка постоянна.

Устройство и принцип действия асинхронных двигателей

Асинхронным двигателем называют устройство, предназначенное для превращения электрической энергии в механическую. Асинхронным именуют потому, что процессы внутри него протекают неодновременно: частота вращения ротора постоянно опережает частоту вращения магнитного поля, образуемого статором. Рассмотрим подробнее принцип действия и конструкцию машины, а также ее отличия от синхронного собрата.

Погружаемся в теорию

Работа электродвигателя переменного тока основана на свойстве магнитного поля, заключающемся во взаимодействии с другими полями. Так, если первое поле содержится внутри второго, вращающегося вокруг своей оси, то оно тоже начнет вращаться. Это явление доказывается опытным путем.

Дугообразный магнит укреплен так, чтобы его можно было приводить в движение с помощью ручки. Между северным и южным полюсом помещается цилиндр, выполненный из меди. Он может вращаться.

Если крутить ручку, то магнит начнет обращаться вокруг своей оси. Поэтому магнитный поток, проходящий через цилиндр, будет меняться. А это главное условие для образования вихревых токов внутри самого цилиндра. А электрический ток всегда создает вокруг магнитное поле. Поля магнита и цилиндра начинают взаимодействовать друг с другом, результатом чего становится вращение этого цилиндра в том же направлении, что и подковообразный магнит.

Так как вращение цилиндра – результат воздействия вращающегося магнитного поля, то он будет отставать на некоторую величину, которую называют скольжением. Оно рассчитывается по формуле (выражается в процентах):

Где s – скольжение, n – скорость вращения постоянного магнита (называют синхронной), n₀ – медного цилиндра (называют асинхронной). Именно разница в этих скоростях – необходимое условие для работы электродвигателя.

Конструкция

Проделанный опыт демонстрировал вращение цилиндра за счет вращения постоянного магнита. Поэтому конструкция еще не имеет права называться электродвигателем. Надо изменить ее так, чтобы магнитное поле, необходимое для вращения ротора, создавалось электричеством. И это возможно при использовании трехфазного тока.

Асинхронная машина снабжается:

• Статором;
• Ротором;
• Осью, на которой сидит ротор.

На рисунке внешнее кольцо – это железный статор электродвигателя, состоящий из корпуса со станиной и железного сердечника. На его полюсах размещаются три обмотки (Н – начало, К – конец). Между двумя соседними намотками соблюдается угол – 120 градусов. Каждая из них подключена к одной из фаз трехфазного тока.

Внутри статорного кольца – металлический цилиндр, посаженный на ось, относительно которой он может вращаться. Это ротор асинхронного мотора. Он может быть короткозамкнутым или фазным.

Короткозамкнутый ротор

Это устройство выглядит как сердечник, собранный из листовой стали. Он имеет пазы, в которых находится алюминий, залитый в растопленном состоянии. Металл образует стержни, замыкающиеся торцевыми кольцами накоротко (отсюда и название). С короткозамкнутым ротором сравнивают беличью клетку, потому что у них прослеживается внешнее сходство.

Важно! Для электродвигателей с короткозамкнутым ротором высокой мощности вместо алюминия заливают медь.

Фазный ротор

Конструкция асинхронной машины с фазным ротором сложна. Однако у них есть преимущество перед короткозамкнутым устройством. Заключается оно в возможности плавно менять скорость вращения.

Фазным ротором представляется вал, укрепленный на шихтованном сердечнике, имеющем трехфазную обмотку. Этим он напоминает конструкцию статора. Начала намоток соединяют по схеме звезда, а концы объединяются с помощью контактных колец. Они изолируются между собой и располагаются на роторном вале.

Чтобы кольца соприкасались с фазным ротором, для каждого из них предусмотрена пара щеток, изготовленных из металла и графита. Они закрепляются в специальных держателях, которые прижимают их к кольцам с помощью пружин.

В случае с фазным ротором трехфазная намотка подсоединяется к пусковому реостату. Поэтому в роторной электроцепи образуется дополнительное сопротивление.

Принцип действия

Понять принцип действия асинхронного двигателя поможет график с рисунком, изображенные ниже.

На графике выделено 4 положения (а, б, в и г), каждому из которых соответствует схема (А, Б, В или Г). Линии связаны с фазным током: l1 – первая, l2 – вторая, l3 – третья фаза. Во время работы электродвигателя происходят следующие изменения:

• Положение а. Значение тока в l1 – 0, в l2 – отрицательное число, в l3 – положительное. На схеме направление, в котором будет течь ток, указано с помощью стрелок. Будет создан магнитный поток, направленность линий которого можно установить, применив правило правой руки, образует южный полюс (обозначен Ю) на конце полюса 3-ей катушки внутри статора. При этом на 2-ой катушке будет создан северный полюс (С). Это говорит о том, что линии магнитного потока направляются через ротор от 2-ой обмотки к 3-ей.
• Положение б. Значение переменного тока в l2 – 0, в l1 – положительное число, в l3 – отрицательное. Возникший магнитный поток на 1-ой катушке статора создает южный полюс, а на 3-ей – северный. Поэтому он меняется направление ровно на 120 градусов и направляется через ротор от 3-ей обмотки к 1-ой.
• Положение в. Значение переменного тока в l3 – 0, в l2 – положительное число, в l1 – отрицательное. Теперь северный полюс соответствует 1-ой катушке, а южный – 2-ой. Это значит, что магнитный поток снова повернулся на 120 градусов и теперь проходит через ротор от 1-ой обмотки ко 2-ой.
• Положение г. Все значения переменного тока на каждой из фаз, а также направление магнитного потока соответствуют положению а.

Видно, что работа асинхронного электродвигателя возможна благодаря изменению направления переменного тока в статорных обмотках. Каждому периоду изменения тока будет соответствовать один оборот магнитного потока, который будет заставлять ротор вращаться. И неважно, как соединены обмотки, звездой или треугольником.

Однофазные асинхронные машины

Обычно асинхронная машина питается от трехфазного переменного тока. Но был разработан однофазный мотор. Он менее распространен, потому что обладает малой мощностью и требует дополнительной силы для разгона.

Устройство однофазного электрического двигателя включает в себя одну рабочую обмотку. Потому он и называется – однофазный. Но по сути это двухфазная машина, которая работает благодаря тому, что во время пуска в ход в цепь включается вспомогательная, или пусковая обмотка.

Однофазный мотор оснащается короткозамкнутым ротором. Это одно из преимуществ – простота конструкции. Однако у однофазного электродвигателя есть недостаток – это отсутствие пускового момента и малый КПД.

Течение однофазного переменного тока вызывает магнитное поле, состоящее из двух: их амплитуды равны, однако вращаются они в противоположных направлениях. С покоящимся ротором эти поля создают одинаковые по модулю пусковые моменты. Но поскольку их знаки разные, результирующий пусковой момент равен нулю. Поэтому ротор остается неподвижен. Но если заставить его вращаться с применением дополнительной силы, между двумя полями образуется скольжение – разность моментов. Будет преобладать тот момент, который направлен в сторону вращения ротора. Тогда принудительное приведение его в движение можно прекратить: дальнейшая работа обеспечивается скольжением.

Отличия асинхронных и синхронных моторов

Асинхронные машины переменного тока в большинстве снабжены не фазным, а короткозамкнутым ротором. Их отличия от синхронных двигателей:

• Малая мощность;
• Простое устройство;
• Низкая стоимость;
• Увеличенный срок работы за счет отсутствия щеток;
• Сложная регулировка скорости (но нет надобности в применении преобразователей).

Модели с фазным ротором от короткозамкнутых отличаются сложным устройством, но возможностью плавно регулировать скорость. Их стоимость и мощность выше, однако щетки часто изнашиваются.

Электрические двигатели асинхронного типа нашли широкое применение в сетях как трехфазного, так и однофазного питания. Они используются в промышленности и в быту. Но только в качестве двигателя, в генераторном режиме лучшие показатели выдают синхронные машины.

Источники: http://onlineelektrik.ru/eoborudovanie/edvigateli/ustrojstvo-i-princip-raboty-trexfaznogo-asinxronnogo-dvigatelya.html, http://electricity-automation.com/ru/electricity/27, http://electricdoma.ru/kak-eto-ustroeno/asinhronnyiy-dvigatel-printsip-rabotyi/