Электродвигатель предназначен для преобразования, с малыми потерями, электрическую энергию в механическую.
Предлагаем рассмотреть принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, трехфазного и однофазного типа, а также его конструкцию и схемы подключения.
Основные элементы электродвигателя это – статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.
Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части мотора — роторе.
У двигателя переменного тока, ротор получает энергию не только за счет магнитного поля, но и при помощи индукции. Таким образом, они называются асинхронными двигателями. Это можно сравнить с вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели еще называют вращающимися трансформаторами. Чаще всего используется модели рассчитанные на трех фазное включение.
Конструкция асинхронного двигателяНаправление вращения электродвигателя задается правилом левой руки буравчика: оно демонстрирует связь между магнитным полем и проводником.
Второй очень важный закон – Фарадея:
При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.
Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.
Принцип работы асинхронного двигателяКогда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.
Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.
Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.
Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.
Когда напряжение питания низкое, возбуждение обмоток короткозамкнутого ротора не происходит. Это обусловлено тем что, когда число зубцов статора и число зубьев ротора равное, таким образом вызывая магнитную фиксацию между статором и ротором. Этот физический контакт иначе называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Данная проблема может быть преодолена путем увеличения количества пазов ротора или статора.
Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.
Видео: Как работает асинхронный двигатель
Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.
Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет. Формула
QC = Uс I2 = U2 I2 / sin2
Схема: Подключение асинхронного двигателяИз которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа, должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.
Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления . Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.
Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.
Устройство асинхронного двигателя является практически универсальным, но так же, у данного механизма есть свои плюсы и минусы.
Преимущества асинхронных двигателей переменного тока:
Эффективность этих двигателей очень высока, так как нет потерь на трение, и относительно высокий коэффициент мощности.
Недостатки асинхронных двигателей переменного тока:
www.asutpp.ru
Содержание статьи
Под влиянием подведенного к статору напряжения сети U1 (рис. 10-19) в его обмотке протекает ток I1, мгновенное направление которого показано соответственно моменту а (рис. 10-2). Этот ток создает вращающийся магнитный поток Ф, замыкающийся через статор и ротор. Поток создает в обеих обмотках э. д. с. Е1 и Е2,как в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, асинхронный двигатель подобен трехфазному трансформатору, в котором э. д. с. создаются вращающимся магнитным потоком. Пусть поток вращается в направлении движения стрелки часов. Под влиянием э. д. с. Е2 в обмотке направление которого показано на ротора пойдет ток I2, рис. 10-19 в предположении, что он совпадает по фазе с Е2.Рис. 10-19. Работа асинхронного двигателя при cos Ψ2 = 1.
Взаимодействие тока I2 и потока Ф создает электромагнитные силы F, приводящие ротор во вращение, вслед за вращающимся потоком. Таким образом, асинхронный двигатель представляет собой трансформатор с вращающейся, вторичной обмоткой и способный поэтому превращать электрическую мощность Е2I2 cos Ψ2 в механическую.
Ротор всегда отстает от вращающегося магнитного потока, так как только в этом случае может возникать э, д. с. E2, а следовательно, ток I2 и силы F. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить направление вращения потока. Для этого меняют местами два любых провода, подводящих ток от сети к статору. В этом случае меняется порядок следования фаз ABC на АСВ или ВАС и поток вращается в обратную сторону.
Ротор асинхронного двигателя всегда должен отставать от вращающегося магнитного потока. Скорость вращения потока принято означать п1, она постоянна, так как р = const и f1 = const. Скорость вращения ротора можно обозначить п2. Величина называется скольжение м.
Теоретически скольжение меняется от 1 до 0 или от 100% до 0, так как при неподвижном роторе в первый момент пуска п2 = 0, а если вообразить, что ротор вращается синхронно с потоком, п2 = п1. Чем больше нагрузка на валу, тем больший тормозной момент должен уравновеситься большим вращающим моментом. Последнее возможно только при увеличении I2, а значит, и Е2. Как будет показано ниже, Е2увеличивается при уменьшении n2, т. е. при увеличении s. Таким образом, при увеличении нагрузки на валу скорость ротора п2 уменьшается. Скольжение при номинальной нагрузке Sн у асинхронных двигателей равно от 1 до 6%; меньшая цифра относится к мощным двигателями
Магнитный поток вращается со скоростью п1, ротор — со скоростью п2. Частота э. д. с. и тока в роторе, очевидно, пропорциональна скорости вращения потока относительно ротора, т. е. величине п1 — п2 . Тогда
f2 = (p(п1))/60 = pn1s/60 = f1s
При неподвижном роторе f2 = f1 • 1 = f1 если ротор вращается синхронно, то f2 = f1 • 0 = 0. При номинальной скорости вращения, т. е. при sH ≈ 2—4%, частота f2 очень мала: f2 = f1s = 50•0,02÷50•0,04, т. е. 1—2 гц.
Если ротор неподвижен, то в обмотках статора и ротора, как в первичной и вторичной обмотках трансформатора, наводятся э. д. с:
Е1 = 4,44f1ɯ1ФмƦ1
Е2 = 4,44f1ɯ2ФмƦ2
Отличие только в том, что коэффициентами Ʀ1 и Ʀ2 приходится учитывать особенности обмоток, распределенных по цилиндрической поверхности статора и ротора. При вращении ротора его э. д. с. все время меняется, так как f2 = f1s. Тогда э. д. с. вращающегося ротора
Е2 = 4,44f2ɯ2ФмƦ2
Эту э. д. с. принято выражать через э. д. с. неподвижного ротора
E2s/E2 = f2/f1 = f1s/f1 = s
или
E2s = E2s
Следовательно, э. д. с. ротора сильно меняется в процессе работы двигателя. При s = 1, E2s = Е2, а при s = 0, E2s = 0.
Как и в трансформаторе, часть потока статора замыкается по путям рассеяния, т. е. вокруг проводов статора, не заходя в ротор (рис. 10-19). Известно, что эти потоки обусловливают реактивное (индуктивное) сопротивление обмотки x1. Такие же потоки рассеяния существуют и вокруг проводов обмотки ротора, когда в ней протекает ток. Ими обусловлено реактивное сопротивление ротора x2.
При неподвижном роторе
x2 = ω1L2 = 2πf1L2
При вращающемся роторе
x2 = 2πf2L2 = 2πf1sL2
Отсюда следует, что реактивное сопротивление ротора непрерывно и сильно меняется при изменении режима работы двигателя от величины x2s = х2 • 1 = х2 при неподвижном роторе до величины x2s = х2 • 0 = 0, если бы ротор вращался синхронно.
В двигателях нормального исполнения изменением активного сопротивления ротора при изменении частоты от 50 гц до 0 можно пренебречь и считать r2 = const.
Из сказанного выше об изменении э. д. с. и реактивного сопротивления обмотки ротора можно заключить, что ток в роторе I2 = E2s/√(r22 + x22s)
тоже меняется при изменении скорости вращения. Пусковой ток I2п должен быть велик и отставать от э. д. с. на большой угол Ψ2, так как Е2 велика, а реактивное сопротивление обмотки х2 обычно в 8—10 раз больше активного r2. При вращении ротора уменьшаются E2s и x2s. Вследствие этого уменьшаются ток I2и угол Ψ2. Указанное обстоятельство очень важно, так как в этом существенная разница между трансформатором и асинхронным двигателем.
Статья на тему Работа асинхронного двигателя
znaesh-kak.com
Все электрические принципиальные схемы станков, установок и машин содержат определенный набор типовых блоков и узлов, которые комбинируются между собой определенным образом. В релейно-контакторных схемах главными элементами управления двигателями являются электромагнитные пускатели и реле.
Наиболее часто в качестве привода в станках и установках применяются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели просты в устройстве, обслуживании и ремонте. Они удовлетворяют большинству требований к электроприводу станков. Главными недостатками асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются большие пусковые токи (в 5-7 раз больше номинального) и невозможность простыми методами плавно изменять скорость вращения двигателей.
С появлением и активным внедрением в схемы электроустановок преобразователей частоты такие двигатели начали активно вытеснять другие типы двигателей (асинхронные с фазным ротором и двигатели постоянного тока) из электроприводов, где требовалось ограничивать пусковые токи и плавно регулировать скорость вращения в процессе работы.
Одной из преимуществ использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является простота их включения в сеть. Достаточно подать на статор двигателя трехфазное напряжение и двигатель сразу запускается. В самом простом варианте для включения можно использовать трехфазный рубильник или пакетный выключатель. Но эти аппараты при своей простоте и надежности являются аппаратами ручного управления.
В схемах же станков и установок часто должна быть предусмотрена работа того или иного двигателя в автоматическом цикле, обеспечиваться очередность включения нескольких двигателей, автоматическое изменение направления вращения ротора двигателя (реверс) и т.д.
Обеспечить все эти функции с аппаратами ручного управления невозможно, хотя в ряде старых металлорежущих станков тот же реверс и переключение числа пар полюсов для изменения скорости вращения ротора двигателя очень часто выполняется с помощью пакетных переключателей. Рубильники и пакетные выключатели в схемах часто используются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка. Все же операции управления двигателями выполняются электромагнитными пускателями.
Включение двигателя через электромагнитный пускатель обеспечивает кроме всех удобств при управлении еще и нулевую защиту. Что это такое будет рассказано ниже.
Наиболее часто в станках, установках и машинах применяются три электрические схемы:
Разберем принцип работы всех этих схем.
1. Схема управления двигателем с помощью магнитного пускателя
Схема показана на рисунке.
При нажатии на кнопкуSB2 "Пуск" на катушка пускателя попадает под напряжение 220 В, т.к. она оказывается включенной между фазой С и нулем (N). Подвижная часть пускателя притягивается к неподвижной, замыкая при этом свои контакты. Силовые контакты пускателя подают напряжение на двигатель, а блокировочный замыкается параллельно кнопке "Пуск". Благодаря этому при отпускании кнопки катушка пускателя не теряет питание, т.к. ток в этом случае идет через блокировочный контакт.
Если бы блокировочный контакт не был бы подключен параллельно кнопки (по какой-либо причине отсутствовал), то при отпускании кнопки "Пуск" катушка теряет питание и силовые контакты пускателя размыкаются в цепи двигателя, после чего он отключается. Такой режим работы называют "толчковым". Применяется он в некоторых установках, например в схемах кран-балок.
Остановка работающего двигателя после запуска в схеме с блокировочным контактом выполняется с помощью кнопки SB1 "Стоп". При этом, кнопка создает разрыв в цепи, магнитный пускатель теряет питание и своими силовыми контактами отключает двигатель от питающей сети.
В случае исчезновения напряжения по какой-либо причине магнитный пускатель также отключается, т.к. это равносильно нажатию на кнопку "Стоп" и созданию разрыва цепи. Двигатель останавливается и повторный запуск его при наличии напряжения возможен только при нажатии на кнопку SB2 "Пуск". Таким образом, магнитный пускатель обеспечивает т.н. "нулевую защиту". Если бы он в цепи отсутствовал и двигатель управлялся рубильником или пакетным выключателем, то при возврате напряжения двигатель запускался бы автоматически, что несет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Подробнее смотрите здесь - защита минимального напряжения.
Анимация процессов, протекающих в схеме показана ниже.
2. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей
Схема работает аналогично предыдущей. Изменение направления вращения (реверс) ротор двигателя меняет при изменении порядка чередования фаз на его статоре. При включении пускателя КМ1 на двигатель приходят фазы - A, B, С, а при включении пускателя KM2 - порядок фаз меняется на С, B, A.
Схема показана на рис. 2.
Включение двигателя на вращение в одну сторону осуществляется кнопкой SB2 и электромагнитным пускателем KM1. При необходимости смены направления вращения необходимо нажать на кнопку SB1 "Стоп", двигатель остановится и после этого при нажатии на кнопку SB3 двигатель начинает вращаться в другую сторону. В этой схеме для смены направления вращения ротора необходимо промежуточное нажатие на кнопку "Стоп".
Кроме этого, в схеме обязательно использование в цепях каждого из пускателей нормально-закрытых (размыкающих) контактов для обеспечения защиты от одновременного нажатия двух кнопок "Пуск" SB2 - SB3, что приведет к короткому замыканию в цепях питания двигателя. Дополнительные контакты в цепях пускателей не дают пускателям включится одновременно, т.к. какой-либо из пускателей при нажатии на обе кнопки "Пуск" включиться на секунду раньше и разомкнет свой контакт в цепи другого пускателя.
Необходимость в создании такой блокировки требует использования пускателей с большим количеством контактов или пускателей с контактными приставками, что удорожает и усложняет электрическую схему.
Анимация процессов, протекающих в схеме с двумя пускателями показана ниже.
3. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)
Схема показана на рисунке.
Отличие этой схемы от предыдущей в том, что в цепи каждого пускателя кроме общей кнопки SB1 "Стоп"включены по 2 контакта кнопок SB2 и SB3, причем в цепи КМ1 кнопка SB2 имеет нормально-открытый контакт (замыкающий), а SB3 - нормально-закрытый (размыкающий) контакт, в цепи КМ3 - кнопка SB2 имеет нормально-закрытый контакт (размыкающий), а SB3 - нормально-открытый. При нажатии каждой из кнопок цепь одного из пускателей замыкается, а цепь другого одновременно при этом размыкается.
Такое использование кнопок позволяет отказаться от использования дополнительных контактов для защиты от одновременного включения двух пускателей (такой режим при этой схеме невозможен) и дает возможность выполнять реверс без промежуточного нажатия на кнопку "Стоп", что очень удобно. Кнопка "Стоп" нужна для окончательной остановки двигателя.
Приведенные в статье схемы являются упрощенными. В них отсутствуют аппараты защиты (автоматические выключатели, тепловые реле), элементы сигнализации. Такие схемы также часто дополняются различными контактами реле, выключателей, переключателей и датчиков. Также возможно питание катушки электромагнитного пускателя напряжение 380 В. В этом случае он подключается от двух любых фаз, например, от А и B. Возможно использование понижающего трансформатора для понижения напряжения в схеме управления. В этом случае используются электромагнитные пускатели с катушками на напряжение 110, 48, 36 или 24 В.
elektricheskayashema.ru
