No Image

Как работает трехфазный асинхронный двигатель

СОДЕРЖАНИЕ
32 просмотров
15 ноября 2019

Электродвигателем называется такое электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию. При использовании трёхфазной системы переменного тока, наиболее широко используется трёхфазный асинхронный двигатель, так как этот тип двигателя не требует в большинстве случаев пускового устройства. Большинство трёхфазных асинхронных двигателей запускается в работу с помощью прямого пуска с использованием коммутационных аппаратов.

Для лучшего понимания принципа работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо знать его основные конструкционные особенности.

Этот двигатель состоит из двух основных частей, неподвижной части – статора, и вращающейся части – ротора.

Статор трёхфазного асинхронного двигателя имеет слоты (пазы), в которых размещаются обмотки на каждую фазу. Трёхфазная обмотка расположена таким образом, чтобы быть способной создать вращающееся магнитное поле при протекании по обмоткам переменного тока (AC) от трёх источников питания.

Ротор трёхфазного асинхронного двигателя состоит из цилиндрического ламинированного сердечника имеющего параллельные пазы на периферии. В этих пазах расположены проводники, которые замкнуты на конечных кольцах с торцов ротора. Эти проводники в виде стержней образуют короткозамкнутую обмотку ротора типа «беличья клетка».

Проводники на роторе выполнены обычно из алюминия, а также могут быть сделаны из меди или латуни. Пазы для проводников немного повёрнуты на поверхности ротора, поэтому они расположены под некоторым углом к валу ротора. Такое расположение позволяет уменьшить магнитное сцепление в момент пуска двигателя, а также сделать работу двигателя плавной, без рывков и пробуксовки.

Как работает трёхфазный асинхронный двигатель?

Прежде всего, для работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо создать вращающееся магнитное поле.

Создание вращающегося магнитного поля

Обмотки, которые расположены на статоре, равномерно смещены на 120 градусов относительно друг друга. Обмотка каждой фазы смещена относительно двух других на угол 120 градусов, то есть по обе стороны через 120 градусов расположены соседние фазы. Статор представляет собой полый цилиндр, который в сечении представляет собой кольцо. Внутри такого цилиндра расположен ротор. Три источника тока, отличатся друг от друга фазовым сдвигом. Этот сдвиг также составляет 120 градусов. В итоге, при прохождении трёхфазного переменного тока в обмотках статора, внутри статора образуется вращающееся магнитное поле.

В чем секрет создания вращения магнитного поля? Так как ток переменный, то создаваемое каждой фазой магнитное поле будет также переменным. Магнитный поток, который порождается прохождением тока в каждой обмотке, будет изменяться во времени точно также как породивший его ток. В то время когда один магнитный поток от первой фазы будет возрастать по величине, магнитный поток от второй фазы достигнет своего максимального значения и начнёт убывать по величине, магнитный поток от третьей фазы будет всё более уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения.

Магнитный поток переменного синусоидального тока любой из фаз изменяется по величине и направлению, тем самым чередуясь и пульсируя. Там где ранее был северный магнитный полюс, становится южный, а там где был южный полюс, там на его месте образуется северный полюс. Магнитное поле как бы пульсирует, но не вращается. Если пространственно равномерно по окружности расположить три катушки (соленоиды) так, чтобы их сердечники были направлены к центру окружности, а затем соединить в один общий магнитопровод наружные концы соленоидов (катушек), то мы получим прототип статора трёхфазного асинхронного двигателя. Подключив каждую катушку к источнику переменного тока, а именно к трём разным фазам, которые сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, мы получим не пульсирующее, а вращающееся магнитное поле.

По той причине, что магнитопровод будет общим, пульсирующие магнитные потоки от каждой катушки будут складываться с учётом направления и величины, тем самым образуя вращающийся вектор магнитного потока. Это удивительно, потому как статор неподвижен, но представляет собой магнит, поле такого магнита вращается, но статор остаётся неподвижен.

Как же преобразуется в дальнейшем электрическая энергия в механическую энергию? Если в статор, по обмоткам которого протекает трёхфазный ток и, соответственно, внутри него сосредоточено вращающееся магнитное поле, внести металлический предмет, то на него будет действовать механическая сила, которая будет пытаться этот предмет выкинуть из поля статора.

Как такое происходит? Магнитный поток статора индуцирует в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя ЭДС, так как цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать электрический ток, который создаст второй магнитный поток – поток ротора. Взаимодействие двух встречных потоков ротора и статора создаст крутящий момент на роторе, и он начнёт вращаться. В соответствии с законом Ленца, ротор будет вращаться в том направлении, которое позволяет уменьшить магнитный поток статора.

Следует заметить, что принцип работы асинхронного двигателя не допускает синхронной скорости ротора с магнитным полем статора. В этом случае исчезнет ЭДС индукции в роторе, и ротор начнёт останавливаться. Синхронизация не достижима для асинхронного электродвигателя, скорость ротора в двигательном режиме может быть меньше скорости вращения магнитного поля.

Читайте также:  Какого цвета фаза и ноль в трехжильном

Если ротору придать дополнительный крутящий момент от внешнего механического источника, так, чтобы его скорость стала больше чем скорость вращающегося магнитного поля статора, тогда электрическая машина перейдёт в генераторный режим работы, при котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию.

Разница скоростей между статором и ротором позволяет говорить о таком явлении как скольжение ротора в магнитном поле статора. Необходимо помнить, что асинхронная электрическая машина переменного тока – это обратимая машина, которая может работать как в генераторном, так и двигательном режимах.

Асинхронный двигатель представляет собой мотор переменного тока, скорость вращения которого не равна частоте напряжения в обмотках статора. Эти электродвигатели получили широкое распространение, потому что являются достаточно выносливыми. Асинхронный однофазный, трехфазный моторы могут работать при значительной нагрузке продолжительное время, не перегреваясь, держать свой крутящий момент. Работа асинхронного двигателя проста, но при этом его характеристики напрямую зависят от параметров обмоток и технологии их укладки.

Область применения

Асинхронный двигатель получил широкое распространение в качестве тягового, второстепенного и прочих видов силовых компонентов. Учитывая особенности его конструкции, отсутствие скользящих контактов, эксплуатация такого мотора намного проще. Также, схема подключения не требует сложных устройств управления, если говорить о простом режиме работы с постоянной частотой. Плюс ко всему и срок службы до сервисного обслуживания намного дольше, так как внутреннее пространство и обмотки не загрязняются графитом.

Применяется асинхронный электродвигатель во многих сферах:

  • Системы вентиляции – благодаря выносливости и неприхотливости при эксплуатации моторы с короткозамкнутыми роторами достаточно часто используются в качестве вентиляторов. Они хорошо переживают продолжительную работу на максимальных оборотах, обеспечивая пользователей или технологическое оборудование интенсивным воздушным потоком.
  • Конвейеры – благодаря высокому моменту, способности его поддерживать при нагрузках моторы асинхронного типа стали идеальным вариантом для реализации управления подвижными производственными линиями.
  • Следящие системы и приводные устройства – особо часто применяют асинхронные двигатели в приводных системах на технологическом оборудовании. Но для организации управления таким типом двигателя потребуется особая схема подключения и частотный блок управления, а ротор асинхронного двигателя оснащается неодимовыми магнитами. Такие моторы рассчитаны на работы с частотой до 400 Гц.
  • Бытовая сфера. Из такого мотора можно сделать различные рабочие агрегаты бытового назначения или для небольшой мастерской: вентилятор, управляемые заслонки, циркулярная пила, фуганок, прочее оборудование.

Разновидности моторов

От типа питающей сети асинхронные электродвигатели подразделяются на:

  1. Трехфазные. Обмотки асинхронных двигателей такого типа состоят из 3 катушек, специальным образом уложенных в пазах статора. Они предназначены для работы в промышленности, так как имеют высокий КПД и cosφ приближенный к 1, а для обеспечения дополнительной экономии работают с системой рекуперации энергии при торможении, выступая генератором.
  2. Однофазный асинхронный двигатель. Применяется в быту и промышленности: старые стиральные машины, бытовые вентиляторы, холодильное и прочие виды оборудования. Имеют меньший КПД, мощность, по сравнению с трехфазными, что объясняется потерями в статоре из-за отсутствия дополнительной фазы.

Устройство асинхронного двигателя

Устройство асинхронного двигателя является достаточно простым:

  • Статор – является неподвижной частью электрического двигателя, который снабжен обмотками возбуждения.
  • Ротор – вращающийся элемент мотора, который крутится под действием магнитного поля, создаваемым обмотками возбуждения, расположенными на статоре. Различают 2 типа двигателя от конструкции ротора: короткозамкнутые и фазные.
  • Фланцы – статическая часть электрического двигателя, в которой находятся опорные подшипники, удерживающие ротор и являющиеся своего рода крепежом для статора. Он зажимается между двумя фланцами-крышками стяжными болтами. Либо они прикручены к корпусу статора.
  • Клеммная коробка – часть статической конструкции двигателя, в которую выводятся концы обмоток со статора. Посредством его осуществляется подключение двигателя к схеме управления.
  • Крыльчатка и защитный кожух – используется для обеспечения принудительной вентиляции, а кожух предохранит обслуживающий персонал от травматизма.
  • Дополнительные сервисные обмотки – при необходимости совместно с обмоткой возбуждения на статоре может быть дополнительная, предназначенная для контроля и измерения рабочих параметров мотора во время его работы.
  • Термодатчики – промышленные асинхронные двигателя, кроме обмоток, также имеются датчики температуры, контролирующие перегрев на случай резкого возрастания тока потребления.

Также двигателя могут быть оборудованными планарными редукторами и изготовленными в едином корпусе. Это преимущественно промышленные типы агрегатов, применяемые на станках, конвейерах и прочих видах оборудования.

Особенности устройства каждого из элементов

Статор асинхронного электродвигателя представляет собой цилиндр, изготовленный из листов специальной электротехнической стали толщиной до 0.5 мм, покрытых лаком. Этот цилиндр является сердечником, с внутренней стороны имеются пазы, куда укладываются обмотки. В трехфазных, соответственно, сдвинутые на 120 градусов, в однофазных – на 90. Обмотки могут быть уложены несколькими способами в зависимости от схемы их подключения и эксплуатационных требований. Именно от этого зависит такой показатель, как момент и мощность на валу. А при наличии количества полюсов более, чем 2 пары, то он может использоваться в следящих системах управления приводными механизмами.

Читайте также:  Можно ли подключить двигатель 380 на 220

Статор запрессован в корпус либо же расположен между фланцами. Корпус и боковые крышки изготовлены из чугуна или сплава алюминия. На них имеются ребра для увеличения площади и повышения эффективности отведения тепла при работе. Такое устройство позволяет лучше охлаждать двигатель, обеспечивая продолжительную работу при предельных нагрузках.

Однополюсная обмотка такого электродвигателя наматывается из 3-х катушек. Каждая из них называется фазой. Для достижения требуемых параметров работы мотора обмотка укладывается в противоположных пазах сердечника. Катушки соединяются между собой специальным образом в соответствии со схемой подключения и ожидаемых характеристик, обеспечивая возбуждение магнитного поля и необходимый момент при вращении.

Все концы датчиков выводятся в клеммную коробку, что позволяет их соединять в звезду или треугольник, что зависит от схемы подключения системы управления, величины питания. 3-фазный электродвигатель является универсальным, при необходимости его можно подключать к однофазному питанию с линейным напряжением. При соединении обмоток треугольником напряжение обмоток равно линейному Uф, а при подключении по схеме звезды – √3Uф.

Ротор

Ротор в асинхронном электродвигателе представляет собой вал, на котором закрепляется сердечник, набранный из листов электротехнической стали. Что трехфазный, что однофазный мотор, ротор имеет практически одинаковую конструкцию. В качестве обмотки в обычных асинхронных моторах на рабочую частоту 50Гц используются куски медного или алюминиевого провода большой толщины или стержни, соединенные между собой торцевыми замыкающими кольцами.

Для того чтобы обмотка надежно удерживалась в сердечнике, имеются специальные пазы, куда она запрессована. Торцевые кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками, предназначенными для улучшения интенсивности охлаждения внутреннего пространства. Вал закреплен на подшипниках, впрессованных во фланцы или плитах, закрепленных к станине в зависимости от устройства.

Между валом и статором имеется зазор, величина которого зависит от пусковых параметров мотора. Если необходимо увеличить мощность и момент, то он должен быть как можно меньше. Одновременно с ростом мощности увеличиваются и добавочные потери в верхних слоях статора и ротора.

Принцип работы

Асинхронный двигатель принцип работы имеет достаточно простой. Он основан на двух физических явлениях:

  1. При подаче напряжения на статорные обмотки в двигателе возникает вращающееся магнитное поле.
  2. Поле оказывает воздействие на ток, индуцируемый в роторе. А это создает крутящий момент, поворачивающий вал двигателя относительно полюсов.

За каждый поворот вала полюса меняются полярностью с частотой сети. Поэтому напряжение обмотки статора имеет стандартную частоту, а скорость вращения зависит от:

  • нагрузки на валу;
  • количества пар полюсов;
  • особенностей намотки статора.

Маркировка электродвигателя

Для упрощения процесса подключения и выбора схемы асинхронного 3-фазного ЭД на каждом из них имеется соответствующая маркировка. В ней указываются такие характеристики, как:

  • крутящий момент;
  • мощность;
  • максимальная скорость вращения;
  • cosφ.

Также в зашифрованной маркировке имеется указание типа двигателя, количества полюсов. Их необходимо учитывать при выборе мотора для тех или для других нужд. А для облегчения процесса подключения все концы сводятся в клеммную коробку, где подписаны следующим образом:

Если мотор подключается к сети 380 В с линейным напряжением обмоток 220В, то его схема обмоток должна быть треугольником. Но если двигатель подключается к стандартной сети 380В, то схема включения обмоток должна быть звездой.

Скольжение

При рассмотрении принципа работы асинхронного электрического двигателя применяют такое понятие, как скольжение, и обозначается параметр буквой «s». Оно возникает из-за разницы в скоростях вращения магнитного поля статора и реальной частоты вращения ротора. При этом первый показатель на порядок больше. Следовательно, чем выше разница, тем сильнее скольжение.

Скольжение позволяет объяснить принцип работы. За счет отставания частоты вращения ротора от магнитного поля статора и обеспечивается наведение ЭДС в короткозамкнутом роторе. Но если бы поле вращалось со скоростью частоты ЭДС в роторе, то собственно вращения не происходило.

Скольжение, являясь относительной величиной, измеряется в %. И становится больше при увеличении нагрузки на валу двигателя.

Двигателя с фазным ротором

Когда речь идет о моторах с фазным ротором, то он имеет немного иное устройство. Также имеется 3 обмотки, которые соединены в звезду, а их начала выведены на подводящие кольца. Сравнивая два типа двигателя с короткозамкнутым и фазным роторами, то у второго развивается момент сразу же под высокой нагрузкой. Такие моторы получили применение в системах, где требуется сделать мощный приводной агрегат с высокой тягой. Также такие моторы являются более удобными для регулируемого управления посредством регулятора частоты.

Читайте также:  Сталь 13хфа характеристики применение

Недостатки асинхронных электродвигателей

В стандартном исполнении без магнитов на роторе асинхронные электродвигатели являются маломощными. Они неспособны сразу обеспечить высокий крутящий момент. А также для их запуска требуется большое количество электрической мощности, которая может превышать предельно допустимые показатели системы питания. Поэтому их пуск должен выполняться без нагрузки. Кроме этого, асинхронные электродвигатели являются мощными источниками электромагнитных помех, сопровождающимися сбоями в работе различных других устройств, находящихся вблизи. Для снижения их влияния необходимо предусматривать качественное заземление и обязательное экранирование.

Электрические двигатели — устройства, преобразовывающие электроэнергию, получаемую из распределительных сетей, в механическую энергию вращения. В состав любого двигателя входят следующие элементы: корпус для защиты от попадания пыли и влаги, неподвижная часть (статор), жестко прикрепленная к корпусу, неподвижные обмотки и магнитопроводы, часть, которая вращается (ротор). Ротор насаживается на вал, вращаемый в двух подшипниковых узлах. Конец выходит наружу, имеет канавку, где закрепляются шкивы или шестерные привода.

Узлы подшипников располагаются в пределах двух съемных крышек, закрывающих корпус с торцов, стягиваются между собой с помощью длинных шпилек (трех-четырех). В задней части вала размещена крыльчатка вентилятора, который обдувает и охлаждает обмотки.

Конструкция таких устройств отличается удобством обслуживания и проведения ремонта — их легко разобрать и собрать.

Асинхронные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Первые применяются преимущественно до мощности 2,2 кВт. Ограничение действует из-за большого пускового и рабочего тока. Принцип действия одинаковый, но у однофазных более низкий пусковой момент.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

  • Исключительной простотой, надежностью и долговечностью;
  • Удобством обслуживания и ремонта;
  • Возможностью изменять направление вращения ротора. Для это нужно всего лишь переключить два любые фазные провода;
  • Возможностью работы в качестве генератора: при применении электромагнитного торможения мотор начнет отдавать энергию в сеть.

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком. Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка.

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

  • Значительный пусковой ток, превышающий номинальный примерно в 5 раз. Это значит, что нужно устанавливать защитные автоматы двигателей только класса D.
  • Малый момент на валу при запуске. При значительной инерции понадобится двигатель большей мощности.

Комментировать
32 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
Adblock detector