Принцип работы асинхронного двигателя

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.

Асинхронный двигатель — принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигатель— это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 — вал, 2,6 — подшипники, 3,8 — подшипниковые щиты, 4 — лапы, 5 — кожух вентилятора, 7 — крыльчатка вентилятора, 9 — короткозамкнутый ротор, 10 — статор, 11 — коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой». В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье — асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120 °. как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение .

Скольжениеs — это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n₁ магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n₂ . в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но п о мере возрастания частоты вращения n₂ ротора относительная разность частот n₁ -n₂ становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины s_кр — критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме — 1 — 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

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://electricity-automation.com/ru/electricity/27, http://electroandi.ru/elektricheskie-mashiny/asinkhronnyj-dvigatel-printsip-raboty-i-ustrojstvo.html, http://autobrains.ru/others/printsip-deystviya-asinhronnogo-dvigatelya/