Асинхронный двигатель: устройство, виды, принцип работы

Немало техники — бытовой, строительной, производственной имеют двигатели. Если задаться целью и проверить тип мотора, в 90% окажется, что стоит асинхронный двигатель. Это обусловлено простотой конструкции, высоким КПД, отсутствием электрического контакта с движущейся частью (в моделях с короткозамкнутым ротором). В общем, причин достаточно. 

Содержание статьи

• 1 Что такое асинхронный двигатель и принцип его действия
• 2 Статор
  • 2.1 Сердечник статора
  • 2.2 Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя
• 3 Ротор
  • 3.1 Устройство короткозамкнутого ротора
  • 3.2 Как сделан фазный ротор
  • 3.3 Что лучше короткозамкнутый или фазный?
  • 3.4 Как регулируется частота вращения
• 4 Однофазный асинхронный двигатель

Что такое асинхронный двигатель и принцип его действия

Любой электродвигатель — устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Электрический двигатель состоит из неподвижной (статор) и подвижной части (ротор). Строение статора таково, что он имеет вид полого цилиндра, внутри которого имеется обмотка. В это цилиндрическое отверстие вставляется подвижная часть — ротор. Он также имеет вид цилиндра, но меньшего размера. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, позволяющий ротору свободно вращаться. Ротор вращается из-за наводимых магнитным полем статора токов. По способу вращения двигатели делят на синхронные и асинхронные.

Так выглядит разобранный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электродвигатель отличается тем, что частота вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором, у него неравны. То есть, ротор вращается несинхронно с полем, что и дало название этому типу машин. Характерно, в рабочем режиме скорость его вращения меньше. Второе название этого типа двигателей — индукционные. Это название связано с тем, что движение происходит за счёт наводимых на нём токов индукции.

Асинхронный двигатель в разобранном виде: основные узлы и части

Коротко описать принцип работы асинхронного двигателя можно так. При включении мотора на обмотки статора подаётся ток, из-за чего возникает переменное магнитное поле. В область действия силовых линий этого попадает ротор, который начинает вращаться вслед за переменным полем статора.

Статор

Статор асинхронного двигателя состоит из трёх частей: корпуса, сердечника и обмотки. Корпус статора служит в качестве опоры для электродвигателя. Изготавливают его из стали или чугуна, сваркой или литьём. К прочности корпуса предъявляются высокие требования, так как при работе возникают вибрации в результате которых может сместиться ротор, что приведёт к заклиниванию мотора и выходу его из строя.

Статор асинхронного двигателя

Есть и ещё одно требование — геометрия корпуса должна быть идеальной. Между обмоткой статора и ротором зазор делают в несколько миллиметров, так что малейшие отклонения могут быть критичны.

Сердечник статора

Сердечник статора асинхронного электродвигателя изготавливают из наборных металлических пластин. Так как сердечник является магнитопроводом, металл используется магнитная электротехническая сталь. Для уменьшения потерь из-за вихревых потоков сердечник набирается из пластин, покрытых слоем диэлектрика (лак).

Сердечник статора набирается из тонких металлических изолированных пластин

Толщина одной пластины — 0,35-0,5 мм. Они собираются в единый пакет, так чтобы пазы всех пластин совпадали. В эти пазы затем укладываются витки обмотки.

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

Статор асинхронного электромотора чаще всего имеет трёхфазную обмотку возбуждения. Она называется так, потому что является причиной движения ротора. Обмотка статора состоит из катушек, навитых из медной проволоки которые укладываются в пазы сердечника. Каждая обмотка может состоять из нескольких витков проволоки или из одного витка. Провод используется специальный, с лаковым покрытием, которое изолирует витки друг от друга и от стенок сердечника.

Как уже говорили, чаще всего обмотка статора асинхронного двигателя имеет три фазы. В этом случае оси катушек расположены со сдвигом 120°. При таком строении магнитное поле имеет два полюса и делает один полный оборот за один цикл трёхфазного питания. При частоте в электросети равной 50 Гц, скорость вращения поля (и ротора) 50 об/сек или 3000 об/мин.

Укладка катушек обмотки статора асинхронного двигателя

Для уменьшения скорости вращения ротора в асинхронном двигателе обмотку делают с большим количеством полюсов. Так с четырехполюсным стартером скорость вращения будет вдвое меньше — 1500 об/мин. Обмотка с шестью полюсами статора даёт втрое меньшую скорость — 1000 об/мин. С восемью полюсами — в четыре раза меньше, т. е. 750 об/мин. Ещё более «медленные» электромоторы делают очень редко.

Концы обмоток статора выводятся на клеммную коробку корпуса. Тут они могут соединяться по принципу «звезда» или «треугольник» в зависимости от типа подаваемого питания (220 В или 380 В).

Ротор

Ротор асинхронного электродвигателя бывает двух видов: короткозамкнутым и фазным. Чаще всего встречаются машины с короткозамкнутым ротором. Их преимущество в простоте конструкция и несложной технологии изготовления. Что еще важно, в таких моторах отсутствует контакт с динамической конструкцией. Это повышает долговечность, делает обслуживание более редким и простым.

Асинхронный двигатель может быть с короткозамкнутым и фазным

Асинхронные электромоторы с фазным ротором имеют более сложную конструкцию. Но они позволяют плавно регулировать скорость без дополнительных устройств, со старта имеют высокий крутящий момент. Так что приходится выбирать: более простая конструкция или возможность регулировки скорости вращения.

Устройство короткозамкнутого ротора

Ротор состоит из вала и цилиндрической конструкции из короткозамкнутых стержней. Внешне эта конструкция очень напоминает беличье колесо, поэтому так часто называют короткозамкнутую обмотку ротора.

Устройство короткозамкнутого ротора

Изначально и стержни, и замыкающие кольца изготавливались из меди. Роторы современных асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт делают из алюминиевых стержней, с алюминиевыми же замыкающими дисками. Расстояние между стержнями заливается снова-таки алюминиевым сплавом. Получается короткозамкнутый ротор, но уже со сплошным покрытием.

Так как при работе выделяется значительное количество тепла, для охлаждения перемычки «беличьего колеса» делают с дополнительными вентиляционными лопатками. Так во время работы происходит самоохлаждение. Оно работает тем эффективнее, чем выше скорость вращения.

Как устроен асинхронный двигатель: устройство и компоновка деталей

Ротор устанавливается в статор, концы вала фиксируются при помощи крышек с вмонтированными подшипниками. Это двигатель без щеток (безщеточный). Никаких дополнительных контактов и электрических соединений. Подвижная часть мотора начинает вращаться при наличии магнитного поля на статоре. Оно возникает после подачи питания. Это поле вращается, заставляя вращаться и предметы, которые находятся в его поле. Простая и надёжная конструкция, которая обусловила популярность электрических двигателей этого типа.

Как сделан фазный ротор

Устройство фазного ротора мало чем отличается от обмотки статора. Те же наборные кольца с пазами под укладку медных катушек. Количество обмоток ротора три, соединены они обычно «звездой».

Так выглядит фазный ротор асинхронного двигателя

Концы роторных обмоток крепят к контактным кольцам из меди. Эти кольца жёстко закреплены на валу. Кроме того, они обязательно изолированы между собой, не имеют электрического контакта со стальным валом (крепятся к стержню через диэлектрические прокладки). Так как наличие колец отличительная черта этого типа движков, иногда их называют кольцевыми.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Для фиксации ротора к корпусу статора делают две крышки с подшипниками. На одной из крышек закрепляются щетки, которые прижимаются к кольцам на валу, за счёт чего имеют с ними хороший контакт. Для регулировки скорости вращения щетки соединены с реостатом. Изменяя его сопротивление, меняем напряжение, а с ним и скорость вращения.

Что лучше короткозамкнутый или фазный?

Несмотря на то что двигатели с фазовым ротором лучше стартуют, позволяют в процессе работы плавно менять скорость при помощи обычного реостата, чаще применяется моторы короткозамкнутого типа. В этой конструкции отсутствуют щетки, которые выходят из строя первыми. Кроме того, более простое устройство подвижной части снижает стоимость двигателя, агрегат служит дольше, уход и техобслуживание проще.

Какой лучше: короткозамкнутый ротор или фазный

Тем не менее стоит более подробно ознакомиться с достоинствами и недостатками обоих типов асинхронных двигателей. Итак, достоинства короткозамкнутого асинхронного двигателя:

• Простая конструкция.
• Лёгкое обслуживание.
• Более высокий КПД.
• Нет искрообразования.

Недостатки:

Из-за высокого пускового тока прямое включение допускается для двигателей мощностью до 200 кВт. Более мощные требуют пускорегулирующей аппаратуры. Обычно используют частотный преобразователь, который плавно увеличивает ток, обеспечивая плавный старт без перегрузок.

Преимущество асинхронного фазного двигателя:

• Быстрый и беспроблемный старт.
• Позволяет менять скорость в процессе работы.
• Прямое подключение возможно, практически без ограничения мощности.

Недостатки тоже есть: наличие щёток, возможность искрения, сложное и частое обслуживание.

Как регулируется частота вращения

Как уже писали, частота вращения ротора зависит от количества полюсов статора. Чем больше количество полюсов, тем меньше скорость. Но это не только так можно регулировать скорость вращения. Она еще зависит от напряжения и частоты питания.

Способы регулирования частоты асинхронного двигателя

Напряжение можно регулировать, установив потенциометр на входе. Частоту регулируют поставив частотный преобразователь. Частотник — более выгодное решение, так как он ещё и снижает стартовые токи и может быть программируемым.

Однофазный асинхронный двигатель

Выше рассматривался трехфазный асинхронный двигатель, в однофазном асинхронном двигателе их две. Одна рабочая, вторая вспомогательная. Вспомогательная нужна для того, чтобы придать первоначальное вращение ротору. Потому может называться ещё пусковой или стартовой.

Однофазный асинхронный двигатель имеет две обмотки: рабочую и вспомогательную (стартовую или пусковую)

Когда в статоре включена одна обмотка, она создаёт два равных магнитных поля, вращающихся в разные стороны. Если ввести в это поле ротор, который уже имеет какое-то начальное вращение, магнитное поле будет поддерживать это вращение. Но как запустить ротор на старте? Как придать ему вращение, ведь от одной обмотки возникают два равноценных магнитных поля, направленные в разные стороны. Так что с их помощью заставить вращаться ротор невозможно. В простейшем варианте вращение задаётся вручную — механически. Затем вращение подхватывает поле.

Чтобы автоматизировать запуск однофазного асинхронного двигателя и сделана вспомогательная обмотка. Она сконструирована так, что подавляет одну из составляющих магнитного поля основной обмотки и усиливает вторую. Соответственно, одна из составляющих перевешивает, задавая вращение ротора. Затем стартовая обмотка отключается, вращение поддерживает основная.

§75. Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя. Трехфазные асинхронные двигатели являются самыми распространенными электрическими двигателями и применяются для привода различных станков, насосов, вентиляторов, компрессоров, грузоподъемных механизмов, а также на э. п. с. переменного тока в качестве двигателей вспомогательных машин. .

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части статора 1 (рис. 248, а), на котором расположены обмотка 2 статора, и вращающейся части — ротора 3 с обмоткой 4. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка 2 статора представляет собой трехфазную или в общем случае многофазную обмотку, катушки которой размещают равномерно вдоль окружности статора. Фазы этой обмотки А-Х, B-Y и C-Z размещены равномерно по окружности статора; они соединяются «звездой» (рис. 248,б) или «треугольником» и подключаются к сети трехфазного тока. Обмотку 4 размещают равно-

Рис. 248. Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а), схема включения его обмоток (б) и пространственное распределение вращающего магнитного поля (в) в двухполюсной машине

мерно вдоль окружности ротора. При работе двигателя она замкнута накоротко.

При подключении обмотки статора к сети создается синусоидально распределенное вращающееся магнитное поле 5 (рис. 248, в). Оно индуцирует в обмотках статора и ротора э. д. с. e₁ и е₂. Под действием э. д.с. е₂ по проводникам ротора будет проходить электрический ток i₂. На рис. 248, а показано согласно правилу правой руки направление э. д. с. е₂, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф, по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения п меньше синхронной частоты n₁, активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной э. д. с. е₂, при этом условные обозначения (крестики и точки) показывают одновременно и направление активной составляющей тока i₂.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарная сила F_рез, приложенная ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента М тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма и внутренних сил трения.

Э.д.с, индуцированная в проводниках обмотки ротора, зависит от частоты их пересечения вращающимся полем, т. е. от разности частот вращения магнитного поля n₁ и ротора n. Чем больше разность n₁— n, тем больше э. д. с. е₂. Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающего момента является неравенство частот вращения n₁ и n. Только при этом условии в обмотке ротора индуцируется э. д. с. и возникает ток i и электромагнитный момент М. По этой причине машина называется асинхронной (ротор ее вращается несинхронно с полем). Иногда ее называют индукционной ввиду того, что ток в роторе возникает индуктивным путем, а не подается от какого-либо внешнего источника.

Для характеристики отставания частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля служит скольжение, его выражают в относительных единицах или процентах:

s = (n₁— n) /n₁ или s = [(n₁— n) /n₁] 100% (81)

Если, например, четырехполюсный двигатель имеет s = 4%, то частота вращения его ротора равна 1440 об/мин (частота вращения поля при частоте 50 Гц составляет 1500 об/мин, а отставание ротора от частоты поля равно 4 % от 1500 об/мин, т. е. 60 об/мин). В двухполюсном двигателе при s = 4% частота вращения ротора составляет 2880 об/мин (3000—0,04*3000 = 2880).

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение,

n = n₁(1 – s) (82)

По своей конструкции различают двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Они имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются выполнением ротора. Пусковые свойства этих двигателей различны.

Принцип работы асинхронного двигателя

— StudiousGuy

Асинхронные двигатели — одно из величайших изобретений в истории человечества. На долю этой технологии приходится около 45% общего потребления электроэнергии во всем мире, и она широко распространена в современном машиностроении. Фактически, всемирно известная электромобильная корпорация Tesla назвала свою организацию в честь изобретателя асинхронного двигателя Николы Теслы. Асинхронный двигатель представляет собой электрический двигатель переменного тока (AC), который использует электромагнитную индукцию для преобразования электрической энергии в механическую. Он также известен как асинхронный двигатель, так как частота вращения двигателя обычно меньше и не синхронизирована с частотой входного переменного тока. Асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с эквивалентными двигателями постоянного тока, такие как более низкая стоимость строительства и обслуживания, простота эксплуатации, более высокая скорость, долговечность и т. д., что делает их более применимыми. Чтобы понять работу асинхронного двигателя, давайте сначала разберемся в деталях, которые делают его превосходной машиной.

Указатель статей (Щелкните, чтобы перейти)

Компоненты асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель может иметь несколько форм и размеров, но чаще всего это цилиндрическое устройство с осевым валом, выступающим из него. Вращательное действие вала осуществляется за счет особого расположения следующих компонентов.

Статор

Статор асинхронного двигателя представляет собой полый цилиндрический сердечник, состоящий из ламинированных и слоистых тонких металлических листов. Это стационарная часть с прорезями для наматывания катушки электромагнитной цепи двигателя. Слоистая структура статора используется для предотвращения потерь на вихревые токи и гистерезиса, которые в противном случае произошли бы со сплошным сердечником. Катушка статора, также известная как обмотка статора, изготовлена ​​из медных проводов, изолированных эмалью, лаком или смолой, чтобы избежать короткого замыкания.

Ротор

Ротор — вращающаяся часть асинхронного двигателя. Он представляет собой цилиндрический узел, закрепленный на валу, несущем механическую нагрузку. В производстве асинхронных двигателей используются два типа роторов.

Ротор с короткозамкнутым ротором

 Ротор с короткозамкнутым ротором является одним из наиболее широко используемых роторов в производстве асинхронных двигателей из-за его исключительных характеристик, таких как надежность, прочность и низкая стоимость производства. Он получил свое название от своей цилиндрической клеточной структуры, состоящей из продольных токопроводящих стержней из алюминия или меди, замкнутых накоротко кольцами из одного и того же материала на обоих концах. Стержни ротора слегка скошены, чтобы предотвратить их блокировку в зазорах между обмотками статора, что обеспечивает плавное и бесшумное вращение. При этом количество стержней не должно быть равно целому кратному числу пазов статора, так как это может вызвать магнитную блокировку обоих компонентов.

Ротор с обмоткой

Ротор с обмоткой, также известный как ротор с контактными кольцами, представляет собой цилиндрический узел, сделанный из тонких ламинированных стальных листов, уложенных друг на друга, с прорезями на периферии для удерживания вращающихся обмоток. Концы вращательных обмоток соединены с тремя контактными кольцами, расположенными вокруг вала. Токосъемные кольца соединены с блоками сопротивления переменной мощности через щетки, что позволяет оператору изменять скорость двигателя, изменяя сопротивление.

Вал

Вал представляет собой длинный стержень из углеродистой стали, расположенный вдоль цилиндрической оси асинхронного двигателя. Это элемент, который обеспечивает преобразованную механическую энергию для конечного использования. Головка вала связана с различными механическими нагрузками, такими как шкивы, шестерни и т. д., тогда как задняя часть соединяется с вентилятором внутри двигателя.

Подшипники 

Вал ротора удерживается на месте подшипниками на обоих концах корпуса двигателя. Подшипники минимизируют трение вала, соединенного с корпусом, повышая эффективность двигателя. Корпус асинхронного двигателя содержит все компоненты двигателя, обеспечивает электрические соединения и обеспечивает вентиляцию частей двигателя для снижения тепловыделения. Конструкция корпуса часто включает ребра для отвода тепла.

Вентилятор

Вентилятор асинхронного двигателя действует как вытяжка и охлаждает асинхронный двигатель, рассеивая тепло. Он соединен с валом, передающим вращательное движение ротора на вентилятор.

Кожух

Кожух асинхронного двигателя содержит все компоненты двигателя, обеспечивает электрические соединения и обеспечивает вентиляцию частей двигателя для снижения тепловыделения. Конструкция корпуса часто включает ребра для отвода тепла.

Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель работает по принципу электромагнитной индукции. Это явление, при котором ЭДС индуцируется в проводнике, когда он помещен в переменное магнитное поле. Эта индуцированная ЭДС в катушке определяется законом электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что электродвижущая сила вокруг замкнутого пути равна отрицательному значению скорости изменения магнитного потока, охваченного путем. Математически это утверждение можно записать как

ε=-\frac {dΦ}{dt}

Где ε — ЭДС индукции, Φ — магнитный поток, а t — время.

Взаимодействие между двумя магнитными полями заставляет ротор вращаться. Чтобы понять концепцию более подробно, давайте рассмотрим работу асинхронного двигателя.

Работа асинхронного двигателя

Когда переменный ток протекает через обмотки статора, он создает магнитное поле вокруг катушек обмоток. Катушки внутри статора расположены таким образом (пространственно друг от друга на 120°), что создаваемое ими магнитное поле начинает вращаться вследствие периодически меняющегося направления входного переменного тока. Вращающееся магнитное поле индуцирует ток, который течет через замкнутые обмотки ротора. Затем поток тока создает противо-ЭДС, которая противодействует изменению магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Противоэдс обмоток ротора отстает 90 градусов (без нагрузки) за ЭДС обмоток статора. Эта разница в силе создает крутящий момент и заставляет ротор вращаться вокруг оси вала. Отставание также заставляет обмотки ротора вращаться немного медленнее, чем вращающееся поле. Разница между скоростями известна с технической точки зрения как «скольжение», и она может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, таких как нагрузка, которую приводит двигатель, сопротивление цепи ротора и напряженность магнитного поля, создаваемого двигателем. статор. Работа асинхронного двигателя очень похожа на работу трансформатора, при этом первичная и вторичная обмотки представляют собой обмотки статора и ротора соответственно. Асинхронный двигатель также известен как вращающийся трансформатор из-за вращательного движения обмоток ротора. Операции и работа асинхронных двигателей могут различаться в зависимости от их типа.

Типы асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели в основном подразделяются на две категории в зависимости от источника питания, от которого они работают, т. е. трехфазный асинхронный двигатель и однофазный асинхронный двигатель.

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель является одним из наиболее часто используемых асинхронных двигателей в промышленных и коммерческих целях. Как следует из названия, трехфазные асинхронные двигатели — это те, которые работают от трехфазного источника переменного тока. Чтобы понять работу трехфазного асинхронного двигателя, необходимо немного разобраться в трехфазном источнике питания переменного тока. Направление тока в источнике питания переменного тока периодически изменяется, генерируя синусоидальную форму волны, при этом каждый цикл показывает величину тока, изменяющуюся от нуля до максимума в одном направлении, обратно до нуля, а затем до максимума в противоположном направлении. Трехфазный источник питания переменного тока содержит три различных синусоидальных сигнала переменного тока, так что, когда один из циклов достигает нуля, два других могут компенсировать уменьшение величины тока в цепи. Большинство наших бытовых электроприборов могут эффективно работать на частоте 50–60 Гц (циклов в секунду) одиночного синусоидального сигнала переменного тока; однако в промышленных целях для удовлетворения требований высокой мощности применяется трехфазный источник переменного тока.

В трехфазном асинхронном двигателе статор состоит из трех наборов обмоток, на которые подается входной трехфазный переменный ток. Обмотки статора расположены по схеме Y, образуя разность фаз 120-градусного электрического угла. Такое расположение обеспечивает вращающееся магнитное поле, и по закону Ленца ротор начинает вращаться вдоль своего направления, чтобы нейтрализовать действие электромагнитной индукции. Тем не менее из-за разницы между индуцируемым магнитным потоком ротора и магнитным потоком статора ротор никогда не достигает скорости вращающегося магнитного поля. Гипотетически, если ротору удастся достичь скорости, подобной скорости вращающегося магнитного поля, приложив некоторую внешнюю силу, то между потоками не будет отставания и электромагнитная индукция мгновенно прекратится. в основном два

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Как следует из названия, трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором содержит ротор с короткозамкнутым ротором (рассмотренный выше) и работает от трехфазной сети переменного тока. Вращающееся магнитное поле индуцирует ток через проводящие стержни, который дополнительно генерирует магнитный поток ротора и заставляет ротор вращаться. Цилиндрическая конструкция клетки имеет определенные преимущества, такие как прочная конструкция и низкие затраты на техническое обслуживание; однако наиболее заметной особенностью роторов с короткозамкнутым ротором является простота конструкции для создания различных вариантов. Моментно-скоростные характеристики трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно легко изменить, регулируя перекос и длину токопроводящих стержней внутри ротора. Это позволяет легко заменять двигатели разных производителей, что упрощает замену двигателей. Тем не менее, отсутствие контроля скорости в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором является недостатком их уникальной конструкции. Закороченные кольца на концах ротора не оставляют места для добавления переменного сопротивления, и поэтому трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором после достижения установившегося режима работает с постоянной скоростью.

Трехфазный асинхронный двигатель с контактным кольцом

Трехфазный асинхронный двигатель с контактным кольцом, также известный как трехфазный асинхронный двигатель с обмоткой ротора, представляет собой асинхронный двигатель с переменной скоростью. Ротор этих двигателей состоит из цилиндрического блока, содержащего многослойные стальные пластины, намотанные на катушки из медной проволоки. Обмотки ротора расположены по трехфазной схеме, причем клеммы каждой фазы подключены к токосъемным кольцам. Токосъемное кольцо — это электромеханическое устройство, которое способствует передаче мощности и электрических сигналов от неподвижного к вращающемуся компоненту. Когда источник переменного тока используется для возбуждения обмотки статора, создается магнитный поток. Вращающееся магнитное поле индуцирует ток через проводящие стержни, что создает дополнительный магнитный поток в роторе и заставляет его вращаться. Тем не менее, из-за большего количества витков в обмотках ротора индуцированное напряжение выше, чем индуцированный ток. Когда двигатель включен, внешнее сопротивление, воздействующее на обмотки ротора, приводит к тому, что ток ротора ослабляет вращающееся магнитное поле статора. Это означает, что как только двигатель достигает полной скорости, сопротивление можно регулировать для управления скоростью вращения, что дает операторам возможность выбирать пусковой крутящий момент и рабочие характеристики. Индуктивное сопротивление и разность фаз между I и V могут быть уменьшены, что позволяет двигателю обеспечивать высокий пусковой момент. По сравнению со стандартными двигателями с короткозамкнутым ротором сложность и техническое обслуживание контактных колец и щеток высоки. Тем не менее, в приложениях с высокими инерционными нагрузками, таких как большие вентиляторы, насосы и мельницы, конструкция ротора с обмоткой позволяет постепенно увеличивать нагрузку за счет управления скоростью и крутящим моментом.

Преимущества трехфазного асинхронного двигателя

• Они имеют простую и прочную конструкцию, что делает их долговечными и простыми в управлении.

• Стоимость обслуживания трехфазных асинхронных двигателей значительно ниже по сравнению с однофазными асинхронными двигателями.

• Наиболее важной особенностью, благодаря которой трехфазные асинхронные двигатели широко используются в промышленности, является то, что они запускаются автоматически и не требуют внешнего механизма для запуска вращения ротора. Вращающееся магнитное поле, создаваемое Y-образной формой обмоток статора, достаточно эффективно, чтобы вызвать пусковой момент, чего нельзя сказать об однофазных асинхронных двигателях.

• Разделение входного трехфазного переменного тока в трехфазном асинхронном двигателе приводит к распределению нагрузки и делает двигатель более эффективным с точки зрения характеристик скорости и момента.

• Ротор трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором не имеет физического электрического соединения, что избавляет от потерь тока, которые могут возникнуть при передаче.

• Трехфазный асинхронный двигатель работает во вращающемся магнитном поле с постоянной величиной, т. е. создание крутящего момента является постоянным и не пульсирующим.

• Постоянное магнитное поле также снижает вибрацию двигателя.

Недостатки трехфазного асинхронного двигателя

• Трехфазный асинхронный двигатель потребляет больше тока при малой нагрузке из-за низкого коэффициента мощности. В результате много утечек меди, а эффективность низкая.

• Для управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя требуется больше электрических компонентов, что приводит к созданию сложного электрического механизма.

• Асинхронный двигатель имеет высокий пусковой ток. Это вызывает снижение напряжения во время запуска.

Применение

Трехфазные асинхронные двигатели в основном используются в промышленных условиях. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором используются как в бытовых, так и в промышленных целях, особенно там, где не требуется регулирование скорости двигателя, например, в погружных насосах, прокатных прессах, шлифовальных машинах, конвейерах, компрессорах напольных мельниц и т. д. Напротив, двигатели с контактными кольцами используются в приложения с большой нагрузкой, требующие высокого пускового момента, например, лифты, краны, линейные валы, мельничные прессы и т. д.

Однофазный асинхронный двигатель

Однофазные асинхронные двигатели почти идентичны трехфазным асинхронным двигателям; однако эти двигатели работают от однофазного переменного тока. Однофазные асинхронные двигатели широко используются в маломощных устройствах, таких как бытовые приборы. Они меньше по размеру и дешевле в производстве. Поскольку большинство этих двигателей имеют мощность в несколько киловатт, они также известны как двигатели с дробной мощностью в кВт. Статор однофазного асинхронного двигателя представляет собой неподвижную часть с пластинчатой ​​конструкцией, состоящей из штамповок, как у трехфазного асинхронного двигателя. Обмотка статора опирается на пазы по краю этих штамповок. Для активации этой обмотки используется однофазный источник переменного тока. Ротор состоит из пазов, заполненных токопроводящими алюминиевыми или медными стержнями. Индуцированное магнитное поле в роторе будет взаимодействовать с магнитным полем статора, образуя вращающееся поле. Даже с одной обмоткой это поле заставляет двигатель работать в том направлении, в котором он был запущен. Однако когда двигатели подключены к нагрузкам, обеспечить начальное вращение не представляется возможным. Чтобы обойти эту трудность, однофазный двигатель временно преобразуется в двухфазный двигатель, чтобы обеспечить вращающийся поток. Помимо основной обмотки статора предусмотрена пусковая обмотка. Пусковая или вспомогательная обмотка делается очень резистивной, тогда как основная или рабочая обмотка создается очень индуктивной. Из-за огромной разницы фаз между ними создается достаточный крутящий момент для вращения ротора.

Асинхронный двигатель с расщепленной фазой

В однофазном асинхронном двигателе с расщепленной фазой, также известном как двигатель с резистивным пуском, вспомогательные или пусковые обмотки располагаются под углом 90° к основным обмоткам статора. Вспомогательные обмотки вместе с резистором соединены с основными обмотками последовательно и параллельно сети переменного тока. Вспомогательная обмотка имеет несколько витков малого диаметра. Вспомогательные обмотки создают разность фаз между обоими потоками, создаваемыми основной обмоткой и обмоткой ротора. Когда двигатель достигает 75-80% максимальной скорости, центробежный выключатель отключает эту обмотку, которая неэффективна в рабочем режиме. В этом случае двигатель работает только от основной обмотки статора. Такой подход дает очень маленькую разность фаз, и, следовательно, пусковой момент в этих двигателях очень низкий. В результате они используются в приложениях, требующих небольшого начального крутящего момента, таких как вентиляторы, воздуходувки или измельчители.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

Этот двигатель является более сложным вариантом асинхронного двигателя с расщепленной фазой. Индуктивность с расщепленной фазой недостаточна для создания высокого крутящего момента, потому что разность фаз, вызванная вспомогательными обмотками, мала. Этот недостаток устранен в двигателе с конденсаторным пуском за счет включения конденсатора последовательно с вспомогательной обмоткой. Этот двигатель оснащен конденсатором сухого типа, работающим от переменного тока. Тем не менее, этот конденсатор не используется постоянно. В этой схеме также используется центробежный выключатель, который отключает конденсатор и вспомогательную обмотку при работе двигателя на 75-80% синхронной скорости. Конденсатор потребляет большую разность фаз между током, протекающим через основные обмотки, и током, протекающим через вспомогательные обмотки. В результате, по сравнению с асинхронным двигателем с расщепленной фазой, пусковой момент этого двигателя чрезвычайно высок, даже достигая 300 процентов больше, чем полная нагрузочная способность асинхронного двигателя с расщепленной поверхностью. Этот двигатель используется в приложениях, где требуется большой пусковой крутящий момент, например, в токарных станках, компрессорах, сверлильных станках и т. д.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором, работающий с конденсатором

Двигатель с пусковым конденсатором, работающий с конденсатором, имеет два конденсатора, включенных параллельно, и вспомогательную обмотку, соединенную последовательно. Один из этих двух конденсаторов используется исключительно для запуска (пусковой конденсатор) и имеет высокое значение емкости, а другой постоянно подключен к двигателю (рабочий конденсатор) и имеет низкое значение емкости. Пусковой конденсатор включен последовательно с центробежным выключателем, который отключается, когда скорость двигателя достигает 70% от скорости. Рабочий конденсатор улучшает коэффициент мощности двигателя, обеспечивая дополнительную зарядку переменного тока. В рабочем состоянии к двигателю подключены как рабочая обмотка, так и вспомогательная обмотка. Пусковой крутящий момент и эффективность этого двигателя очень высоки. Поэтому его можно использовать в приложениях, где требуется высокий пусковой крутящий момент, таких как холодильник, кондиционер, потолочный вентилятор, компрессор и т. д.

Асинхронный двигатель с экранированными полюсами

Асинхронный двигатель с экранированными полюсами представляет собой самозапускающийся однофазный асинхронный двигатель с медным кольцом, экранирующим полюса статора. Это медное кольцо служит вторичной обмоткой двигателя, и когда питание подается на статор, в медных кольцах индуцируется поток. Поток медного кольца взаимодействует с потоком обмоток статора, создавая вращающееся магнитное поле. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами состоит из короткозамкнутого ротора, который взаимодействует с вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие создает крутящий момент в роторе и вращает его. Важно отметить, что асинхронный двигатель с экранированными полюсами может вращаться только в одном направлении. Эти двигатели не имеют очень хорошего коэффициента мощности и в основном используются в качестве реле в таких устройствах, как вентиляторы, фены, проекторы, проигрыватели и т. д.

Преимущества однофазных асинхронных двигателей

Основным преимуществом однофазных асинхронных двигателей является простота сборки и изготовления. Работа асинхронного двигателя не зависит от состояния окружающей среды. В результате двигатель получается мощным и механически прочным.

Недостатки однофазных асинхронных двигателей

Хотя однофазные двигатели механически просты, известно, что они работают медленно или перегреваются при высокой нагрузке. Более того, поскольку однофазные двигатели не являются самозапускающимися, для их запуска требуется дополнительная схема, что, в свою очередь, дает больше возможностей для коротких замыканий и отказов.

Электрические машины — Асинхронные машины

Основная идея работы индукционной машины довольно проста. Подробный
математическое понимание взаимодействия магнитных полей и результирующего крутящего момента более сложное.
Во многих случаях достаточно понять качественные идеи, а затем применить схемную модель.
Здесь приводится качественное описание вместе с более математическим описанием для тех, кто
предпочитают такой подход. Математическое описание также включает некоторые важные определения, которые
необходимы для разработки схемного режима.

Качественное описание

1. Трехфазная обмотка статора подключена к трехфазной сети
2. Токи протекают по обмотке статора, создавая вращающуюся МДС и плотность потока
3. Плотность потока статора вращается с синхронной скоростью:

   \[
   n_s= \frac{120 f_e}{p}
   \]

4. Магнитное поле проходит через проводники на роторе и индуцирует напряжение в этих проводниках
5. Поскольку проводники закорочены, в проводниках ротора течет ток
6. Токи ротора создают второе магнитное поле ротора, которое противодействует магнитному полю статора.
   поля и тоже вращается с синхронной скоростью
7. Когда два магнитных поля вращаются с постоянной скоростью, индуцируется крутящий момент:

   \[
   \тау = к \vec{B}_R \times \vec{B}_S
   \]

8. Плотность потока ротора будет отставать от плотности потока статора (электрическая плотность потока отстает от тока на 90°),
   поэтому крутящий момент будет в том же направлении, что и вращение магнитных полей
9. Крутящий момент ускоряет ротор до тех пор, пока не будет достигнута синхронная скорость, при которой относительная
   движение между проводниками и плотность потока статора. Поскольку относительная скорость равна нулю, индуцированное напряжение
   токи ротора и плотность потока падают до нуля, крутящий момент также равен нулю

Математические принципы

Определения

• частота питания: \(f_e\) в Гц или \(\omega_e\) в рад с ^-1
• синхронная скорость (радиан в секунду): \(\omega_s\)
• синхронная скорость (оборотов в минуту): \(n_s\)
• механическая скорость ротора (радиан в секунду): \(\omega_m\)
• механическая скорость ротора (оборотов в минуту): \(n_m\)
• электрическая скорость ротора (электрические радианы в секунду): \(\omega_r\)
• скольжение: разница между синхронной и механической скоростями, деленная на синхронную скорость:

  \[
  \begin{выровнено}
  s & = \frac{\omega_s-\omega_m}{\omega_s} \\
  s & = \frac{n_s-n_m}{n_s} \\
  s & = \ гидроразрыва {\ omega_e- \ omega_e} {\ omega_e}
  \end{выровнено}
  \]

• скорость скольжения:
  • в об/мин: \(sn_s=n_s-n_m\)
  • в рад с ^-1 : \(s\omega_s = \omega_s-\omega_m\)
• частота скольжения:
  • в Гц: \(f_{sl}=s f_e\)
  • в рад с ^-1 : \(\omega_{sl}= s \omega_e = \omega_e-\omega_r\)

Индуктивное напряжение ротора

Как показано в фундаментальной теории вращающихся полей,
пропускание уравновешенных трехфазных токов через уравновешенную трехфазную обмотку может вызвать вращающуюся волну МДС.
МДФ вращается с синхронной скоростью, задаваемой частотой сети и количеством полюсов в машине.
В асинхронной машине воздушный зазор машины должен быть постоянным, поэтому вращающаяся МДС будет создавать плотность вращающегося потока.
Плотность потока статора может быть определена в терминах механических или электрических величин:

\[
\begin{выровнено}
B_S & =\шляпа{B}_S \cos \left[\frac{p}{2}\left( \theta_m +\phi_m — \omega_s t \right) \right] \\
B_S & =\шляпа{B}_S \cos\left[\left(\theta_e +\phi_e — \omega_e t \right) \right] \\
\end{выровнено}
\]

В приведенном выше уравнении \(\phi_m, \phi_e\) произвольные фазовые углы в
механический и электрический углы соответственно. Мы установим их равными нулю. \(\theta\) — это место, в котором
наблюдается форма волны плотности потока. (В данном месте плотность потока изменяется синусоидально со временем. В данный момент времени плотность потока
изменяется синусоидально в зависимости от местоположения.) Теперь, чтобы понять, как работает асинхронная машина, нам нужно рассмотреть плотность потока, видимую
проводник на роторе.

На изображении на рис. 1 проводник ротора находится в позиции \(\theta_m=\alpha\).
Если ротор неподвижен, то плотность потока статора будет наблюдаться ротором как

\[
B_S=\шляпа{B}_S \cos\left[\frac{p}{2}\left( \alpha — \omega_s t \right) \right] \\
\]

Однако, если ротор вращается с механической скоростью \(\omega_m\), расположение
проводник становится

\[
\theta_m=\alpha+\omega_mt
\]

где \(\alpha\) — положение проводника относительно ротора.

Рис. 1. Иллюстрация, показывающая положение проводника на роторе

Плотность потока, видимая проводником, теперь определяется как

\[
\begin{выровнено}
B_S & =\шляпа{B}_S \cos\left[\frac{p}{2}\left( \alpha + \omega_m t -\omega_s t \right)\right]\\
B_S & =\шляпа{B}_S \cos\left[\frac{p}{2}\left( \alpha — s\omega_s t \right) \right] \\
B_S & =\шляпа{B}_S \cos\left[\frac{p}{2}\left( \alpha — \omega_{sl} t \right) \right]
\end{выровнено}
\]

Теперь напряжение, индуцированное в проводнике длиной l, движущемся перпендикулярно
магнитному полю определяется как

\[
е=vBl
\]

, а относительная скорость проводника в магнитном поле равна

\[
v=-r\omega_{sl} = -sr\omega_e
\]

Следовательно (выбирая определение направления проводника для устранения знака -ve) напряжение, индуцированное в проводнике, равно

\[
e=srl\omega_e \hat{B}_S \cos\left[\frac{p}{2}\left( \alpha — \omega_{sl} t \right) \right]
\]

В приведенном выше уравнении можно увидеть два важных результата:

• Наведенное напряжение пропорционально скольжению
• Частота индуцированного напряжения пропорциональна скольжению

Токи и поле ротора

Величина тока и фаза

Не зная всех подробностей схемы ротора, мы можем сделать некоторые предположения о
схема, чтобы мы могли понять поведение асинхронной машины. Будем считать, что проводник ротора
является частью цепи с постоянным сопротивлением \(R_R\) и индуктивностью
\(Л_П\). (Позже мы увидим, что сопротивление действительно может меняться в зависимости от проскальзывания, но
будем считать, что пока она постоянна). Теперь, если скольжение мало (близко к нулю), то
реактивное сопротивление, связанное с индуктивностью, будет незначительным, поскольку частота будет очень низкой. В этом случае, хотя индуцированное напряжение мало, индуцированные токи могут быть значительными, так как проводники закорочены и \(R_R\) низкий. Токи будут примерно в фазе с
наведенное напряжение. Если скольжение велико (близко к 1), реактивное сопротивление ротора будет значительным.
Из-за увеличения индуцированного напряжения токи ротора будут высокими, но они будут значительно отставать от индуктивного напряжения из-за индуктивности цепи ротора.

Плотность потока ротора

Мы знаем, что плотность потока, создаваемая набором переменных токов, вращается со скоростью, определяемой выражением

\[
n_s= \frac{120 f_e}{p}
\]

В случае токов ротора приведенное выше уравнение дает скорость вращения относительно
проводники. Реальная скорость вращения плотности потока будет равна

\[
\begin{выровнено}
n_{rot.field} & = n_m + \frac{120 f_{sl}}{p} \\
n_{rot.field} & = \left(1-s\right)n_s + sn_s \\
n_{rot.field} & = n_s
\end{выровнено}
\]

т.е. магнитное поле ротора вращается с синхронной скоростью. Мы можем получить представление об относительном
положение полей ротора и статора, рисуя векторные диаграммы. Векторная диаграмма вектора плотности потока статора
можно нарисовать либо из системы отсчета статора, где он вращается с электрической скоростью \(\omega_e\),
или из системы отсчета ротора, где он вращается с электрической скоростью \(\omega_{sl}\)

Рис. 2. Векторы индукции статора, вид со стороны статора и ротора

Сначала рассмотрим случай, когда скольжение мало. Наведенный ток немного отстает от наведенного напряжения, плотность потока ротора
почти на 90° электрически отстает от плотности потока статора.

Рис. 3. Электрические векторы цепи ротора при малом скольжении

Из

\[
\тау = к \vec{B}_R \times \vec{B}_S
\]

при малых скольжениях угол между векторами плотности потока близок к 90° и крутящий момент будет
приблизительно пропорциональна наведенному напряжению и, следовательно, пропорциональна скольжению.