Асинхронный двигатель. Устройство и принцип действия однофазного и трехфазного асинхронного электродвигателя.

Асинхронные электродвигатели (АД) находят в народном хозяйстве широкое применение. По разным данным до 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронным двигателем. Электрическую энергию в механическую энергию поступательного движения преобразуют линейные асинхронные электродвигатели, которые широко используются в электрической тяге, для выполнения технологических операций. Широкое применение АД связано с рядом их достоинств. Асинхронные двигатели — это самые простые в конструктивном отношении и в изготовлении, надежные и самые дешевые из всех типов электрических двигателей. Они не имеют щеточноколлекторного узла либо узла скользящего токосъема, что помимо высокой надежности обеспечивает минимальные эксплуатационные расходы. В зависимости от числа питающих фаз различают трехфазные и однофазные асинхронные двигатели. Трехфазный асинхронный двигатель при определенных условиях может успешно выполнять свои функции и при питании от однофазной сети. АД широко применяются не только в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, но и в частном секторе, в быту, в домашних мастерских, на садовых участках. Однофазные асинхронные двигатели приводят во вращение стиральные машины, вентиляторы, небольшие деревообрабатывающие станки, электрические инструменты, насосы для подачи воды. Чаще всего для ремонта или создания механизмов и устройств промышленного изготовления или собственной конструкции применяют трехфазные АД. Причем в распоряжении конструктора может быть как трехфазная, так и однофазная сеть. Возникают проблемы расчета мощности и выбора двигателя для того или другого случая, выбора наиболее рациональной схемы управления асинхронным двигателем, расчета конденсаторов, обеспечивающих работу трехфазного асинхронного двигателя в однофазном режиме, выбора сечения и типа проводов, аппаратов управления и защиты. Такого рода практическим проблемам посвящена предлагаемая вниманию читателя книга. В книге приводится также описание устройства и принципа действия асинхронного двигателя, основные расчетные соотношения для двигателей в трехфазном и однофазном режимах.

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

1. Устройство трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазный асинхронный двигатель (АД) традиционного исполнения, обеспечивающий вращательное движение, представляет собой электрическую машину, состоящую из двух основных частей: неподвижного статора и ротора, вращающегося на валу двигателя. Статор двигателя состоит из станины, в которую впрессовывают так называемое электромагнитное ядро статора, включающее магнитопровод и трехфазную распределенную обмотку статора. Назначение ядра — намагничивание машины или создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора состоит из тонких (от 0,28 до 1 Мм) изолированных друг от друга листов, штампованных из специальной электротехнической стали. В листах различают зубцовую зону и ярмо (рис. 1.а). Листы собирают и скрепляют таким образом, что в магнитопроводе формируются зубцы и пазы статора (рис. 1.б). Магнитопровод представляет собой малое магнитное сопротивление для магнитного потока, создаваемого обмоткой статора, и благодаря явлению намагничивания этот поток усиливает.

Рис. 1 Магнитопровод статора

В пазы магнитопровода укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Обмотка в простейшем случае состоит из трех фазных катушек, оси которых сдвинуты в пространстве по отношению друг к другу на 120°. Фазные катушки соединяют между собой по схемам звезда, либо треугольник (рис. 2).

Рис 2. Схемы соединения фазных обмоток трехфазного асинхронного двигателя в звезду и в треугольник

Более подробные сведения о схемах соединения и условных обозначениях начал и концов обмоток представлены ниже. Ротор двигателя состоит из магнитопровода, также набранного из штампованных листов стали, с выполненными в нем пазами, в которых располагается обмотка ротора. Различают два вида обмоток ротора: фазную и короткозамкнутую. Фазная обмотка аналогична обмотке статора, соединенной в звезду. Концы обмотки ротора соединяют вместе и изолируют, а начала присоединяют к контактным кольцам, располагающимся на валу двигателя. На контактные кольца, изолированные друг от друга и от вала двигателя и вращающиеся вместе с ротором, накладываются неподвижные щетки, к которым присоединяют внешние цепи. Это позволяет, изменяя сопротивление ротора, регулировать скорость вращения двигателя и ограничивать пусковые токи. Наибольшее применение получила короткозамкнутая обмотка типа «беличьей клетки». Обмотка ротора крупных двигателей включает латунные или медные стержни, которые вбивают в пазы, а по торцам устанавливают короткозамыкающие кольца, к которым припаивают или приваривают стержни. Для серийных АД малой и средней мощности обмотку ротора изготавливают путем литья под давлением алюминиевого сплава. При этом в пакете ротора 1 заодно отливаются стержни 2 и короткозамыкающие кольца 4 с крылышками вентиляторов для улучшения условий охлаждения двигателя, затем пакет напрессовывается на вал 3. (рис. 3). На разрезе, выполненном на этом рисунке, видны профили пазов, зубцов и стержней ротора.

Рис. 3. Ротор аснхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой

Общий вид асинхронного двигателя серии 4А представлен на рис. 4 [2]. Ротор 5 напрессовывается на вал 2 и устанавливается на подшипниках 1 и 11 в расточке статора в подшипниковых щитах 3 и 9, которые прикрепляются к торцам статора 6 с двух сторон. К свободному концу вала 2 присоединяют нагрузку. На другом конце вала укрепляют вентилятор 10 (двигатель закрытого обдуваемого исполнения), который закрывается колпаком 12. Вентилятор обеспечивает более интенсивное отведение тепла от двигателя для достижения соответствующей нагрузочной способности. Для лучшей теплоотдачи станину отливают с ребрами 13 практически по всей поверхности станины. Статор и ротор разделены воздушным зазором, который для машин небольшой мощности находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм. Для прикрепления двигателя к фундаменту, раме или непосредственно к приводимому в движение механизму на станине предусмотрены лапы 14 с отверстиями для крепления. Выпускаются также двигатели фланцевого исполнения. У таких машин на одном из подшипниковых щитов (обычно со стороны вала) выполняют фланец, обеспечивающий присоединение двигателя к рабочему механизму.

Рис. 4. Общий вид асинхронного двигателя серии 4А

Выпускаются также двигатели, имеющие и лапы, и фланец. Установочные размеры двигателей (расстояние между отверстиями на лапах или фланцах), а также их высоты оси вращения нормируются. Высота оси вращения — это расстояние от плоскости, на которой расположен двигатель, до оси вращения вала ротора. Высоты осей вращения двигателей небольшой мощности: 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100 мм.

2. Принцип действия трехфазных асинхронных двигателей

Выше отмечалось, что трехфазная обмотка статора служит для намагничивания машины или создания так называемого вращающегося магнитного поля двигателя. В основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон электромагнитной индукции. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники короткозамкнутой обмотки ротора, отчего в последних наводится электродвижущая сила, вызывающая в обмотке ротора протекание переменного тока. Ток ротора создает собственное магнитное поле, взаимодействие его с вращающимся магнитным полем статора приводит к вращению ротора вслед за полями. Наиболее наглядно идею работы асинхронного двигателя иллюстрирует простой опыт, который еще в XVIII веке демонстрировал французский академик Араго (рис. 5). Если подковообразный магнит вращать с постоянной скоростью вблизи металлического диска, свободно расположенного на оси, то диск начнет вращаться вслед за магнитом с некоторой скоростью, меньшей скорости вращения магнита.

Рис. 5. Опыт Араго, объясняющий принцип работы асинхронного двигателя

Это явление объясняется на основе закона электромагнитной индукции. При движении полюсов магнита около поверхности диска в контурах под полюсом наводится электродвижущая сила и появляются токи, которые создают магнитное поле диска. Читатель, которому трудно представить проводящие контуры в сплошном диске, может изобразить диск в виде колеса со множеством проводящих ток спиц, соединенных ободом и втулкой. Две спицы, а также соединяющие их сегменты обода и втулки и представляют собой элементарный контур. Поле диска сцепляется с полем полюсов вращающегося постоянного магнита, и диск увлекается собственным магнитным полем. Очевидно, наибольшая электродвижущая сила будет наводиться в контурах диска тогда, когда диск неподвижен, и напротив, наименьшая, когда близка к скорости вращения диска. Перейдя к реальному асинхронному двигателю отметим, что короткозамкнутую обмотку ротора можно уподобить диску, а обмотку статора с магнитопроводом — вращающемуся магниту. Однако вращение магнитного поля в неподвижном статоре а осуществляется благодаря трехфазной системе токов, которые протекают в трехфазной обмотке с пространственным сдвигом фаз.

44.Асинхронные электрические машины. Принцип действия асинхронного двигателя.

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:Лёгкость в изготовлении.Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:Небольшой пусковой момент.Значительный пусковой ток.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создает вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Наибольшее распространение среди электрических двигателей Получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком М. О. Доливо-Добровольским.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции Щ несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока асинхронный двигатель состоит из двух основных частей; статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором — ее вращающаяся часть. Асинхронная машина обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели, как это было отмечено выше, получили очень широкое распространение.

Поэтому мы будем рассматривать работу асинхронной машины в режиме двигателя, т. е. процесс преобразования электрической энергии в энергию механическую.

Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого в минуту

Если ротор вращается со скоростью п2, равной скорости вращения магнитного поля (n2=n1), то такая скорость называется синхронной.

Если ротор вращается со скоростью, не равной скорости вращения магнитного поля < n2n1), то такая скорость называется асинхронной.

В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной скорости, т. е. при скорости вращения ротора, не равной скорости вращения магнитного поля.

Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости юля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n2<n1).

Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названии диск Араго-Ленца (рис. 108). Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск 1, свободно сидящий на оси 2, и начать вращать магнит круг его оси при помощи рукоятки, то медный диск будет вращаться в том же направлении. Это объясняется тем, что при вращении магнита магнитные линии его поля, замыкаясь от северного полюса с южному, пронизывают диск и индуктируют в нем вихревые токи, 3 результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом скорость вращения диска всегда меньше, чем скорость вращения магнита. Если бы эти скорости почему-либо стали одинаковыми, то магнитные лиши не пересекали бы диска и, следовательно, в нем не возникали 5ы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянный магнит заменен вращаюйся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении ее в сеть переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них э.д. с. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней

под действием индуктируемой э. д. с. протекает ток. В результате полем обмотки статора создается вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться.

Например, выделим часть окружности ротора, на которой находится один проводник его обмотки. Поле статора представим северным полюсом N, который вращается в пространстве и вокруг ротора по часовой стрелке с числом оборотов N в минуту. Следовательно, полюс N перемещается относительно проводника обмотки ротора слева направо, в результате чего в этом проводнике индуктируется э.д. с, которая согласно правилу правой руки направлена на зрителя (знак «точка»). Если обмотка ротора замкнута, то под действием э. д. с. по этой обмотке течет ток, направленный в выбранном нами проводнике также на зрителя.

В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки ротора с магнитным полем возникает сила F, которая перемещает проводник в направлении, определяемом по правилу левой руки, т. е. слева направо. Вместе с проводником начинает перемещаться и ротор.

Если силу F, действующую на проводник обмотки ротора, умножить на расстояние этого проводника от оси ротора (плечо приложения силы), то получим вращающий момент, развиваемый током данного проводника. Так как на роторе помещено большое количество проводников, то сумма произведений сил, действующих на каждый из проводников, на расстояния этих проводников от оси ротора определяет вращающий момент, развиваемый двигателем. Под действием вращающего момента ротор приходит во вращение по направлению вращения магнитного поля. Следовательно, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения ротора, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается изменением чередования фаз обмоток статора; для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и направление вращения ротора.

Вне зависимости от направления вращения ротора его скорость n2, как уже указывалось, всегда меньше скорости магнитного поля статора.

Если предположить, что в какой-то момент времени число оборотов ротора оказалось равным числу оборотов поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекаться магнитными линиями поля статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающий момент станет равным нулю, скорость вращения ротора уменьшится по сравнению со скоростью вращения поля статора, пока не воз никнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент который складывается из момент; нагрузки на валу и момента сил трения в машине.

Принцип работы асинхронного электрического двигателя

Теория электромагнетизма, ключевая для процессов, происходящих в электрическом двигателе, является слишком сложной, поэтому, чтобы понять принцип действия электродвигателя в общем, будет достаточно упрощённого объяснения теоретических основ.

Для последовательного перехода к пониманию превращения электрической энергии в механическую, необходимо освежить в памяти базовые понятия из школьного курса физики:

• Вокруг намотанного на катушку проводника при протекании внутри него постоянного электрического тока возникает электромагнитное поле, идентичное по характеристикам полю обычного магнита;
• Сердечник из железа и его сплавов, помещённый внутрь катушки, улучшает прохождение электромагнетического потока, что усиливает магнитные взаимодействия;
• Переменный ток в катушке всё время перемагничивает сердечник, называемый магнитопроводом, изготовляемым из специальной электромагнитной стали;
• Движение проводника поперек магнитных линий индуцирует в нём электродвижущую силу (ЭДС);
• Магнитный поток передаётся между двумя магнитопроводами через небольшой воздушный зазор;

Принцип действия статора

Катушки асинхронного электродвигателя называют обмотками, которые располагаются в пазах статора. У трехфазных асинхронных моторов имеются одинаковые фазные обмотки, размещённые симметрично друг к другу, и их оси образуют угол 120º.

Синусоида каждой фазы обмотки двигателя

Как известно, синусоида тока каждой фазы, относительно предыдущей, сдвинута на треть периода, из-за чего силы магнетических потоков в обмотках изменяются по такому же принципу. Сложив векторы направленности электромагнетического поля в отдельно взятый момент времени, можно получить суммарный магнитный поток.

Складывая данные векторы через разные интервалы периода можно заметить, что направление суммарного магнитного потока вращается синхронно колебаниям тока. Данные вращения магнетического потока можно рассматривать как вращающийся постоянный подковообразный магнит.

Таким образом, принцип работы двигателя переменного тока (синхронного или асинхронного) состоит в создании вращающегося электромагнитного поля статора.

Принцип синхронного вращения

Если для опыта подковообразный магнит прикрепить на ось вращения, то любой металлический предмет, закреплённый между полюсами на независимой оси, будет двигаться синхронно. Логично будет поместить в центр статора с трехфазными обмотками ротор в виде постоянного магнита, чтобы получить синхронный электродвигатель.

Но, даже если использовать мощные современные магниты, вихревые токи, образующиеся при переменном электромагнитном поле, будут нагревать ротор, тем самым лишая его магнитных свойств, которые зависят от температуры постоянного магнита. В отношении статора данную проблему решили, собрав сердечник в виде пластин из специальной электротехнической стали.

Статор собран из листов электротехнической стали. а) Собранный вид. б) сам статор

Собрать таким способом ротор в виде пластинчатого постоянного магнита невозможно, поэтому использовали катушки возбуждения, являющиеся постоянным электромагнитом. Данный принцип действия электродвигателя является синхронным – роторный вал движется синхронно с электромагнитным полем статора, пребывающим во вращении.

Принцип действия асинхронного двигателя

В асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором нужно выделить два ключевых момента:

• Индукция электрического тока в короткозамкнутых витках обмотки ротора, из-за вращающегося электромагнитного поля статора;
• Возникновение магнитного потока роторных обмоток, взаимодействующего с пребывающим во вращении магнитным полем статора.

Рассмотреть процессы возникновения магнетического поля ротора нужно с момента запуска двигателя. Электромагнитное поле статора начинает вращение сразу же после подачи напряжения на статорные обмотки. Вал ротора находится в это время в состоянии покоя, и в его витках индуцируется переменный ток с частотой вращения поля.

В каждый момент времени, при прохождении полюса вращающегося электромагнитного поля около отдельно взятого короткозамкнутого витка, в нём создаётся взаимодействующее магнитное поле, которое стремится притянуть роторный виток вслед удаляющемуся полюсу движущегося электромагнитного поля.

Данные процессы происходят во всех короткозамкнутых витках при вращении поля вокруг них, из-за чего появляется суммарный вращательный момент роторного вала. Таким образом, принцип работы электродвигателя асинхронного типа состоит во взаимодействии электромагнитных полей статора и ротора.

Эффект скольжения

По мере набора оборотов валом двигателя, частота пересечения короткозамкнутых роторных витков силовых линий вращающегося магнитного потока будет уменьшаться. Вал двигателя будет стремиться догнать вращающееся поле.

Но, как только роторный вал и статорное поле установятся в состоянии покоя относительно друг друга, короткозамкнутые витки перестанут пересекать силовые линии электромагнитного поля, а значит, в них не будет индуцироваться электрический ток. Исчезновение ЭДС в витках ротора приведёт к потере момента вращения. Данное состояние электродвигателя называют идеальным холостым ходом.

Но в реальных условиях, сила трения будет приводить к потере инерции, и ротор электродвигателя будет запаздывать по отношению к пребывающему во вращении статорному полю, что вызовет возникновение ЭДС в короткозамкнутых витках из-за их пересечения силовых линий магнитного потока.

Данный эффект называют скольжением ротора относительно поля статора, с которым он никогда не сможет установиться в состоянии покоя и вращаться с ним синхронно.

Поэтому такие двигатели называют асинхронными (не синхронными). Иными словами, принцип работы двигателя с короткозамкнутым ротором состоит в эффекте скольжения, являющегося необходимым для возникновения ЭДС в роторных витках.

Оптимальный режим скольжения

Очевидно, что максимальная ЭДС в короткозамкнутых витках будет наводиться в момент запуска, но шихтованный роторный магнитопровод не рассчитан на столь частое перемагничивание, поэтому в данном режиме КПД электродвигателя и его вращательный момент будет низким.

С другой стороны, при приближении к синхронному движению роторного вала и поля статора, ЭДС будет приближаться к нулю, что также приведёт к исчезновению момента. Поэтому асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутые роторные витки, рассчитывают таким образом, чтобы коэффициент скольжения

составлял 2÷5%. В данных пределах характеристики мотора будут максимальными.

Похожие статьи

Переменный и постоянный ток разница

Источники: http://www.eti.su/articles/elektroprivod/elektroprivod_36.html, http://www.studfiles.ru/preview/5428402/page:11/, http://infoelectrik.ru/elektrodvigateli/princip-dejstviya-asinxronnogo-dvigatelya.html