Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

18. Принцип работы трехфазного асинхронного двигате­ля с короткозамкнутым ротором.

Ротор асинхронного двигате­ля представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали (см. рис. 8.1), с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса» (рис. 8.2). Здесь каждая пара диаметрально проти­воположных стержней с соединительными кольцами пред­ставляет собой рамку, т. е. короткозамкнутый виток. Поэто­му такой ротор называется короткозамкнутым.

Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «бе­личье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях воз­никнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращаю­щимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердеч­ника.

19. Объясните создание вращающегося магнитного поля трех­фазной обмоткой машины переменного тока.

Если три катушки, расположенные по окружности под углом 120° друг относительно друга, включить в трехфазную сеть переменного тока, а в центре этой окружности помес­тить магнитную стрелку на оси, то стрелка придет во враще­ние. Следовательно, эти три катушки создают вращающееся магнитное поле.

Рассмотрим подробнее механизм создания вращающего­ся магнитного поля. Зависимости токов в катушках от вре­мени изображены на рис. 8.3. Выберем четыре момента вре­мени t1,t2,t3 и t4 через одну шестую часть периода.

Для каждого из этих моментов последовательно изобра­зим направления результирующего магнитного поля внутри статора трехфазной машины, которая имеет три обмотки по одному витку (рис. 8.4). Начала обмоток обозначены буква­ми А, В и С, а концы — X,У и Z соответственно. Ток в начале обмотки будем считать направленным к нам (обозначается точкой), если его значение положительно. Крестиком обо­значено направление от нас.

В момент времени t1 обмотка А

Х потока не создает

направлен к нам (ic > 0), а в конце этой обмотки Z — от нас.

Таким образом в двух расположенных рядом проводниках С и Y, перпендикулярных к плоскости чертежа, токи в мо­мент t1 направлены в одну сторону и создают магнитное поле,

направленное по правилу буравчика против часовой стрелки, а токи в проводниках В и Z создают магнитное поле, направ­ленное по часовой стрелке. Оба магнитных поля в центре статора имеют одинаковое направление (вверх) и складыва­ются. Направление суммарного магнитного поля показано на рис. 8.4 стрелкой.

Определяя аналогичным образом направление суммарного

магнитного поля в моменты времени t₂,t3 и t₄. мы увидим,

что направление магнитного поля за половину периода из­менится на 180°. Легко убедиться, что за период направле­ние суммарного магнитного поля сделает один оборот и, сле­довательно, скорость вращения магнитного поля в данном случае будет равна частоте переменного тока.

Таким образом, внутри статора существует постоянное по значению равномерно вращающееся магнитное поле.

Этот способ создания вращающегося магнитного поля по­ложен в основу устройства трехфазных асинхронных двига­телей. Если поменять две любые фазы местами (при этом изменится последовательность токов), то суммарный вектор

магнитной индукции В будет вращаться против часовой стрелки. Изменением последовательности фаз пользуются для изменения направления вращения ротора трехфазного асин­хронного двигателя, т. е. для реверсирования.

Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Пожалуй, нет ни одного серьезного механизма или машины, где не применялись бы электрические двигатели. В автомобиле, с стиральной машине, сельхозтехнике и мелких бытовых приборах — везде используется электрический двигатель. Наибольшее распространение получил асинхронный электрический двигатель и о нем сегодня мы поговорим.

Синхронные и асинхронные двигатели в машиностроении и в быту

Благодаря своей простоте и экономичности, асинхронный электромотор может пригодиться не только в машиностроении и в быту, но мы рассмотрим именно такие двигатели, которые встречаются чаще всего. Причиной популярности асинхронного двигателя переменного тока стали его доступность, возможность подключения к любой розетке электропитания без всяких выпрямителей и согласовательных устройств, а также простотой обслуживания и ремонта в случае чего.

Существуют два вида асинхронных электромоторов — с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Но для начала стоит разобраться в конструкции и узнать принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, после чего станет понятна причина его популярности. Несмотря на то, что асинхронный мотор был разработан еще в конце 19 века, до сих пор его конструкция особенных изменений не претерпела.

Преимущества АС двигателя

Главной особенностью характеристик этого двигателя и самым ценные их проявлением, считают тот факт, что нагрузка на двигатель практически никак не зависит от частоты вращения вала. Магнитные поля и электродвижущую силу изучают уже лет двести, а наш асинхронный двигатель стал лучшим подтверждением тому, это один из самых эффективных методов трансформации энергии.

Принцип работы этого мотора как раз основан на взаимодействии подвижного магнитного поля и токопроводящего элемента, распложенного внутри этого поля. Двигатель, как известно еще со школьной скамьи, состоит из двух базовых узлов — рoтора и статора. Статoр как раз генерирует вращающееся магнитное поле. Конструктивно, статoр представляет собой металлический сердечник, на него намотана обмотка из медной проволоки с термолаковой изоляцией.

Внутри статора, внутри его магнитного поля, поместили ротор, который представляет собой вал с сердечником и обмоткой. На рисунке ниже изображена схема устройства асинхронного мотора.
По схеме понятно, что статор состоит из наборных пластин и нескольких обмоток, которые намотаны на пластинчатый сердечник. Эти обмотки могут подсоединяться по разным схемам, в зависимости от типа напряжения. Каждая их обмоток сдвинута друг отнoсительно друга на 120 градусов. А ротор такого двигателя может быть принципиально двух типов.

Двигатель с фазным ротором

Ротор фазного типа принципиально не отличается обмoткой от статора. Это трехфазная обмотка, концы которой соединены по схеме «звезда». Свободные концы обмоток подключены к токоприемным кольцам. Кольца контактируют с проводником посредством щеток и поэтому есть возможность установить в схему подключения дополнительный ограничивающий резистор.

Резистор, как устройство плавного пуска, служит для того, чтобы была возможность уменьшать значения пускового тока, который может достигать довольно крупных значений.

Короткозамкнутый ротор и его особенности

Короткoзамкнутый ротор представляет собой наборной сердечник из специальной листовой стали. Сердечник имеет каналы, которые не изолируют обмотки друг от друга, а наоборот — они залиты расплавленным легкоплавким легким металлом, а он образует прутки, которые в торцах фиксируются на кольцах.

Металл, из которого выполняют эти прутки и которым заливают пространства между сердечниками, зависит от требуемых характеристик двигателя и это может быть как медь, так и алюминий.

Как работает магнитное поле

Работает двигатель на основе процесса получения механической работы в результате воздействия на проводник движущегося магнитного поля. На обмотку статора подают напряжение, причем каждая фаза образует свой магнитный поток. Частота магнитного потока напрямую зависит от частоты подаваемого тока на концы обмотки.

За счет того, что обмотки сдвинуты на 120 градусов, сдвигаются и магнитные поля, причем сдвигаются они как в пространстве, так и во времени. Суммарный магнитный поток и будет вращать ротор двигателя. Это происходит потому, что вращающийся поток суммы частот каждой из обмоток, образуют в роторе электродвижущую силу. Поскольку ротор — короткозамкнутый, то он имеет свою собственную электрическую цепь, которая взаимодействуя с магнитным полем статора, образует крутящий момент, направленный в сторону движения магнитного потока статора.

Следовательно, принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, объясняется вращением магнитного суммарного потока статора и его взаимодействия с возникшим в результате подачи тока, магнитным полем ротора.

Что такое асинхронный двигатель? Принцип его работы

Асинхронный двигатель — это асинхронное устройство, предназначенное для преобразования с минимальными потерями электрической энергии переменного тока в механическую энергию, необходимую для запуска работающих на этом двигателе приборов. Чтобы иметь более ясное представление о принципе работы асинхронных двигателей, необходимо познакомиться с устройством этого прибора, а также узнать, какие типы этих машин существуют на сегодняшний день.

История изобретения

Принцип магнетизма вращения был открыт еще в 1824 году французским физиком Д. Ф. Арагоном. В результате своих экспериментов, ученый обнаружил, что можно привести в движение медный диск, закрепленный на вертикальную ось, воздействуя на него постоянным магнитом. Работу над трудами Арагона продолжил английский физик Уильям Бейли в 1879 году. В своих экспериментах он воздействовал на медный диск четырьмя электромагнитами, подключенными к источнику постоянного тока. Однако законченную формулировку этому явлению дали в 1888 году итальянский физик Феррарис и Никола Тесла, работавшие независимо друг от друга.

В 1888 году Тесла представил миру свой первый опытный образец асинхронного двигателя. Однако широкое применение он не получил из-за низких технических показателей в момент запуска двигателя. Современная конструкция вращающего трансформатора, в том виде, в котором мы знаем его сегодня, была разработана французским инженером П. Бушеро, разработавшем аналог современного асинхронного двигателя.

Устройство асинхронного двигателя

Любой электродвигатель, независимо от мощности и габаритов, состоит из следующих элементов:

Ротор — это подвижный узел мотора, отвечающий за преобразование одной энергии в другую, посредством вращения ротора вокруг своей оси. Двигатели, работающие от переменного тока и получающие энергию при помощи магнитного поля и индукции, называются асинхронными. Они устроены по принципу вторичной обмотки трансформатора, благодаря чему второе их название — вращающие трансформаторы. Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели с трехфазным включением.

В основе устройства асинхронных двигателей лежит правило левой руки буравчика, которое демонстрирует взаимодействие магнитного поля и проводника, а также задает направление вращения электродвигателя.

Вторым законом, заложенным в устройство и работу вращающих трансформаторов, является закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит:

1. Электродвижущая сила, или сокращенно ЭДС, наводится в обмотке устройства, но электромагнитный поток постоянно изменяется во времени;
2. Электродвижущая сила изменяется в зависимости от изменения во времени электромагнитного потока.
3. ЭДС и электрический ток имеют противоположное направление движения.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип работы и скольжения в асинхронных машинах переменного тока предельно прост. В электрической обмотке статора, при подаче на нее напряжения, создается магнитное поле. При подаче напряжения переменного тока происходит изменения магнитного потока, создаваемого статором. Таким образом, магнитное поле статора изменяется и магнитные потоки поступают на ротор, что приводит его в действие и заставляет вращаться. Однако для обеспечения асинхронной работы статора и ротора необходимо чтобы магнитный поток и напряжение статора было равно по величине переменному току. Это обеспечит возможность ее работы исключительно от источника переменного тока.

Если асинхронный двигатель выполняет функцию генератора, то он будет вырабатывать постоянный ток. В этом случае вращение ротора будет обеспечиваться благодаря воздействию внешних источников, например, турбиной. Если в устройстве ротора присутствует так называемый остаточный магнетизм, то он будет обладать определенными магнитными свойствами, которые присущи магниту. В этом случае в стационарной обмотке статора будет вырабатываться переменный поток. Таким образом, наведенное напряжение будет поступать в обмотки катушек статора по принципу магнитной индукции.

Область применения индукционных генераторов достаточно широка. Их используют для обеспечения резервным источником электрического питания небольших магазинчиков и частных домов. Это одни из самых дешевых и простых в установке и эксплуатации типов радиаторов. В последние годы все активнее индукционные генераторы применяются во многих странах по всему миру, в которых существует проблема, связанная с постоянными перепадами напряжения в электрической сети. В процессе работы генератора, ротор приводится в движение благодаря дизельному двигателю небольшой мощности, подключенному к асинхронному генератору.

Принцип вращения ротора

Принцип работы ротора основан на электромагнитном законе Фарадея. Вращается он благодаря воздействию электродвижущей силы, возникающей в результате взаимодействия магнитных потоков и обмотки ротора. На деле это выглядит так: между статором, ротором и их обмотками существует некий зазор, сквозь который проходит вращающийся магнитный поток. В результате этого в проводниках ротора возникает напряжение, которое и является причиной образования ЭДС.

Двигатели с замкнутой цепью роторных проводников работают немного иначе. В этих типах двигателей используются короткозамкнутые роторы, в которых направление движения тока и электродвижущей силы задается правилом Ленца, согласно которому ЭДС противодействует возникновению тока. Вращение ротора происходит благодаря магнитному потоку, движущемуся между ним и неподвижным проводником.

Таким образом, для уменьшения относительной скорости, ротор начинает синхронное вращение с магнитным потоком на обмотке статора, стремясь к вращению в унисон. При этом частота электродвижущей силы ротора равняется частоте питания статора.

Гребневые асинхронные двигатели

При подаче низкого напряжения питания на короткозамкнутый ротор, не происходит возбуждения его обмоток. Это происходит из-за того, что ротор и статор имеют одинаковое число зубьев, в результате чего магнитная фиксация между ними равна, что вызывает их взаимную нейтрализацию. В физике это явление называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Для того чтобы решить эту проблему, достаточно всего — лишь увеличить количество зубьев на статоре или роторе.

Принцип подключения асинхронных двигателей

В любой момент времени работу асинхронного двигателя можно остановить. Для этого достаточно всего — лишь поменять местами любые два вывода статора. Это может понадобиться при возникновении различного рода чрезвычайных ситуаций. После этого происходит противофазное торможение, происходящее в результате изменения направления вращающегося потока, что прекращает подачу электропитания ротора.

Чтобы избежать возникновения такой ситуации, в однофазных асинхронных двигателях используют специальные конденсаторные устройства, подключающиеся к пусковой обмотке двигателя. Однако перед использованием этих устройств, необходимо рассчитать оптимальные для работы параметры. При этом следует учитывать, что мощность конденсаторов, используемых в одно- или двухфазных электрических машинах переменного тока, должна равняться мощности самого двигателя.

Принцип муфты

Рассматривая технические характеристики вращающихся трансформаторов переменного тока, применяемых в производстве промышленного оборудования, и их принцип действия, можно обнаружить аналогию с принципом работы вращающейся муфты механического сцепления. Значение крутящего момента на валу привода должно соответствовать величине этого значения на ведомом валу. Помимо этого очень важно понимать, что эти два момента идентичны друг другу. Поскольку линейный преобразователь приводится в движение под воздействием терния между дисков, находящихся внутри муфты.

Электромагнитная муфта сцепления

Похожая технология реализована и в тяговом двигателе, в котором используются фазовые роторы. Система этих моторов состоит из остовы и 4 основных, и 4 добавочных полюсов. Основные полюса представляют из себя медные катушки, которые начинают вращение благодаря зубчатой передаче, приводимой в движение сердечником также называемом, валовым якорем. Запитка от сети происходит благодаря четырем гибким кабелям. Основная область применения многополюсных двигателей — тяжелое машиностроение. Они выступают движущей силой для крупной сельскохозяйственной техники, железнодорожного транспорта и станков для некоторых типов промышленности.

Плюсы и минусы асинхронных двигателей

Вращающие трансформаторы получили большую популярность благодаря своей универсальности, позволяющей использовать их во многих отраслях. Однако эти механизмы, как и любые другие устройства, имеют свои достоинства и недостатки. Давайте подробнее разберемся с каждым из них.

Достоинства вращающих трансформаторов переменного тока:

1. Простая конструкция двигателя;
2. Дешевая себестоимость приборов;
3. Высокие эксплуатационные характеристики;
4. Простое управление конструкцией;
5. Возможность работы в тяжелых условиях.

Высокая производительность асинхронных двигателей переменного тока достигается благодаря высокой мощности, потери которой минимизированы благодаря отсутствию трения в процессе их работы.

К недостаткам вращающих трансформаторов можно отнести:

1. Потеря мощности при изменении скорости.
2. Снижение крутящего момента при увеличении нагрузки.
3. Низкая мощность в момент запуска.

Источники: http://www.studfiles.ru/preview/4597816/page:10/, http://avtoshef.com/princip-raboty-asinkhronnogo-dvigate/, http://autobrains.ru/others/printsip-deystviya-asinhronnogo-dvigatelya/