Элементы асинхронного двигателя на схеме

Асинхронный двигатель — что это такое, как устроен и где используется?

Сегодня есть множество типов электрических двигателей: коллекторные двигатели постоянного тока и универсальные, двигатели переменного тока синхронные и асинхронные, бесщеточные двигатели постоянного тока и синхронные двигатели с постоянными магнитами, шаговые двигатели и сервоприводы и т.д. Но самым распространенным на производстве был, есть и будет – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В этой статье мы поговорим о том, что это такое и в чем заключаются его особенности.

Определение и немного истории

Автором асинхронного двигателя считают Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который в 1889 году получил патент на двигатель с ротором типа «Беличья клетка», а в 1890 году на двигатель с фазным ротором, которые без особых изменений в конструкции используются и сегодня. А первые исследования и наработки в этом направлении были проведены в 1888 Галилео Феррарисом и Николой Тесла независимо друг от друга.

Главным отличием разработки Доливо-Добровольского от разработок Теслы было использование трёхфазной, а не двухфазной конструкции статора. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. Там представили три трёхфазных асинхронных электродвигателя, самый мощный из которых был на 1.5 кВт. Конструкция этих машин оказалась настолько удачно, что не пережила весомых изменений до наших дней.

Определение асинхронной машины звучит следующим образом:

Асинхронной называется электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Принцип работы

В любом электродвигателе ротор приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора и работы силы Ампера. Для создания магнитного поля используются либо постоянные магниты, либо электромагниты — обмотки статора и ротора. Одну из обмоток (ротора или статора) называют обмоткой возбуждения, вторую обмотку называют обмоткой якоря. Асинхронный двигатель отличается от других типов электромашин тем, что у него нет выраженной обмотки возбуждения, отсюда возникает вопрос «если нет обмотки возбуждения, то как создаётся магнитное поле?», если опустить некоторые особенности, то ответ на этот вопрос достаточно простой — асинхронный двигатель почти как трансформатор.

Напряжение от сети подключают к обмоткам статора. В них протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле статора. Так как сеть трёхфазная, фазы токов и напряжений каждой из фаз сдвинуты друг относительно друга на 120˚. Сила тока изменяется по синусоидальному закону и ток протекает то в одной, то в другой обмотке. Из-за этого магнитное поле получается вращающимся, что наглядно иллюстрирует ЭТО ВИДЕО

Магнитное поле статора индуцирует ЭДС в обмотках ротора (хоть короткозамкнутого, хоть фазного, о конструкции и видах мы поговорим дальше). Так как обмотки ротора закорочены или подключены к сопротивлениям — в них начинает протекать электрический ток, из-за которого возникает еще одно магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем статора, приводит во вращение ротор.

Скорость вращения поля статора называют «синхронной», а скорость вращения ротора «асинхронной», из-за такой особенности этот тип электромашин и получил своё название. Ротор всегда немного отстает от поля статора, разность этих скоростей называют «скольжением». Скорость вращения (оборотов в минуту) поля статора зависит от частоты тока в питающей сети и числа его полюсов, если проще — от количества катушек в обмотке, и вычисляется по формуле:

где f – частота напряжения питающей сети, р – число пар полюсов, 60 – секунд в минуте

Синхронная скорость двигателя с одной парой полюсов равна: 60*50/1=3000 оборотов в минуту. Но асинхронная скорость или скорость вращения ротора будет несколько ниже, как отмечалось ранее. Обычно она находится в районе 2700-2950 об/мин, а скольжение лежит в пределах 2-8% (зависит от типа электродвигателя, его мощности и нагрузки на валу). Скольжение измеряется в относительных величинах или в процентах, и рассчитывается по формуле:

где n1 — синхронная скорость вращения, n2 — скорость вращения ротора.

Конструкция

Конструкция асинхронного двигателя, пожалуй, самая простая среди его аналогов. Он состоит из ротора и статора. Зачастую на статоре расположена трёхфазная обмотка, исключение составляют двигатели, предназначенные для работы в однофазной сети с двухфазной обмоткой или с рабочей и пусковой обмоткой. Статор состоит из металлического корпуса и сердечника с обмотками (собственно их называют обмоткой статора).

Так как двигатель питается переменным током, возникает проблема, связанная с потерями на блуждающие токи (т.н. токи Фуко), для этого сердечник статора набирают из тонких пластин. Стальные пластины для предотвращения контакта друг с другом изолируются окалиной, скрепляются лаком. Ток, протекающий в обмотках статора, называют током статора.

Читайте также:  Как сделать вездеход переломку с двигателем от оки

Корпус статора закрывается с двух сторон подшипниковыми щитами, в них, соответственно, устанавливаются подшипники скольжения или качения, в зависимости от мощности и размеров машины. Подшипники закрываются крышками, это нужно для их смазки, обычно используют пластичную смазку, как литол, солидол и подобные.

Реже, в больших и мощных электрических машинах могут использоваться опорные подшипники скольжения с циркуляционной системой смазки (жидкостная смазка). В них маслонасос закачивает масло, в рабочем режиме ротор таких машин скользит по тонкой масляной плёнке, подобно тому, как это происходит во вкладышах на ДВС.

По конструкции корпуса и типу крепления различают двигатели на лампах или с фланцевым креплением, также бывают с комбинированным типом крепления — с лапами и фланцем.

В зависимости от типа двигателя вал из него может выходить как с одной, так и с обеих сторон. К нему присоединяется исполнительный механизм, для этого конец выполняется конической или цилиндрической формы или с проточкой для установки шпонки и соединения с исполнительным механизмом.

В большинстве электродвигателей используется принудительное воздушное охлаждения. Для этого на корпусе продольно располагаются рёбра, а на другом конце вала устанавливается крыльчатка вентилятора охлаждения. Во время работы двигателя она вращается и прогоняет воздух вдоль рёбер, забирая тепло от статора.

Короткозамкнутый и фазный ротор

Различают два типа асинхронных двигателей — с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор или ротор типа «Беличья клетка» представляет собой набор медных или алюминиевых стержней (2) соединенных (замкнутых) между собой кольцом (3). Стержни впаиваются или заливаются в сердечник (1). Беличьей клеткой его называют из-за внешней схожести, что вы и можете наблюдать в левой части следующей иллюстрации.

Фазный ротор отличается конструкцией, на нём расположена полноценная трёхфазная обмотка, зачастую её катушки соединены по схеме «звезды», то есть их концы соединяются в одной точке, а начала катушек соединяются с токопроводящими кольцами. С помощью щеточного узла образуется скользящий контакт с кольцами. Он, в свою очередь, состоит из щёток и щеткодержателей.

Фазный ротор используют для плавного пуска или регулировки момента на валу посредством изменения величины скольжения двигателя за счет изменения активного сопротивления обмотки ротора. Для этого к выводам щеток подсоединяется регулировочный реостат или набор мощных резисторов (для ступенчатой регулировки). Если сказать кратко, то в двигателе с фазным ротором на обмотку ротора не подают ток, как в синхронном двигателе, например, а, наоборот, к ним подключают сопротивления в качестве нагрузки.

Такие двигатели зачастую используются в грузоподъемных механизмах — кранах или лифтах. Двигатели с короткозамкнутым ротором используются везде: в вентиляции, в станках, и в грузоподъёмных механизмах, для привода насосов и задвижек и т.д.

Схема соединения обмоток статора

Так как в статоре односкоростного асинхронного двигателя расположено три обмотки, то для подключения к трёхфазной сети их необходимо как-то соединить. Как и в любой трёхфазной цепи различают две схемы соединения:

1. «Звезда». Концы обмоток соединяются вместе, напряжение подводится к их началам.

2. «Треугольник». Начало следующей обмотки соединяется с концом предыдущей.

Концы обмоток выводятся в клеммную коробку, которую еще называют «брно» или «борно» (мне не удалось найти правильного названия, а в словаре указаны оба варианта). В зависимости от типа и конструкции двигателя в «борно» может быть выведено 3 или 6 проводов. Если выведено 3 провода – то обмотки соединены «с завода» по определенной схеме, а если 6, то вы можете выбрать схему подключения исходя из напряжения питающей сети.

В зависимости от года производства и производителя электродвигателя могут применяться такие обозначения выводов обмоток, как приведены в таблице ниже.

Концы обмоток на клеммнике расположены таким образом, чтобы с помощью одного комплекта из трёх перемычек можно было соединить обмотки по нужной схеме. Для соединения по схеме звезды перемычки устанавливают в ряд на концы обмоток, а для треугольника – параллельно друг другу соединяя «верхние» и «нижние» клеммы. Для этого начала и концы обмоток смещены друг относительно друга, что вы увидите на следующей иллюстрации.

Напряжение и схема подключения

Как отмечалось выше, схему соединения обмоток выбирают исходя из доступного линейного напряжения в трёхфазной сети. Наиболее распространенное напряжение в РФ это 380/220. Допустим, что у нас есть двигатель, шильдик которого выглядит, как показано на фотографии:

Здесь мы видим обозначение «треугольник/звезда» и напряжения «220/380В» — это значит, что если линейное напряжение в сети 380 – использовать «звезду», как зачастую и делают. Но если линейное напряжение в трёхфазной сети равно 220В, то нужно подключать этот двигатель по схеме «треугольник» (такое встречается и сегодня на старых предприятиях или отдельных участках электросети с напряжениями 220/127 вольт).

Также на эти цифры обращают внимание, когда двигатель подключают к однофазной сети, хоть через фазосдвигающий конденсатор, хоть через частотный преобразователь с однофазным входом и трёхфазным выходом, всегда выбирают ту схему обмоток, которая рассчитана на подключение к сети 220В.

Порой попадаются и старые электродвигатели, в которых обмотки рассчитаны на номинальные напряжения 127/220 и они не предназначены для прямого включения в трёхфазную электросеть с линейным напряжением 380В. Их можно подключать только к однофазной сети через конденсатор или частотник, как было отмечено выше, но в этом случае обмотки уже нужно соединять «звездой».

Читайте также:  Устройство запуска двигателя на тепловозе

На предприятиях часто используются мощные электродвигатели, в которых наоборот, схема «треугольник» рассчитана на питание напряжением 380В, а звезда 660В (тогда на шильдике указывается 380/660). Такие двигатели, зачастую, используются, чтобы снизить пусковые токи при пуске, посредством переключения обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник», так как это дешевле, чем использовать частотник или устройства плавного пуска в этих же целях.

Обращайте внимание на то, что написано на шильдике. Неправильное подключение двигателя опасно его преждевременной смертью.

Заключение

Асинхронные двигатели нашли широчайшее применение практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Такая популярность обусловлена простотой конструкции и, как следствие, долгим сроком службы. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором обслуживания требуют только подшипники. При надлежащей эксплуатации в номинальных для конкретной серии режимах работы, а также соблюдении требований по климатическим условиям и условиям окружающей среды — эти двигатели служат десятилетиями.

Источник

Однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с рабочим напряжением 220 вольт — устройство и принцип работы

Потребляемая мощность электроприборов в быту обычно невелика. А значит применение трехфазных потребителей становится излишним. Электроприборы в домах, квартирах и офисах применяются однофазные. Потому в быту для питания электроприборов наиболее часто используется однофазная электросеть напряжением 220-240 вольт. Разумеется, что в бытовых электроприборах применяются однофазные электродвигатели с рабочим напряжением 220 вольт. Очень часто таким двигателем является однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Устройство асинхронного однофазного электродвигателя

Как и любой другой электрический двигатель, асинхронный однофазный двигатель состоит из двух основных частей. А именно, из ротора и статора. Статор является неподвижной частью асинхронного двигателя . Именно на контактные выводы обмотки статора подаётся питание однофазным переменным током с напряжением 220 вольт. А ротор — это подвижная (вращающаяся) часть асинхронного двигателя. Через ротор, посредством вала, двигатель соединяется с какой-нибудь механической нагрузкой. Как ротор, так и статор электродвигателя, оба состоят из стального сердечника и обмотки. Однофазный асинхронный электродвигатель по конструкции похож на трехфазный асинхронный двигатель. Основное отличие заключается в устройстве обмотки статора двигателя.

Короткозамкнутый ротор асинхронного однофазного электродвигателя

В подавляющем большинстве случаев, бытовые асинхронные однофазные электродвигатели имеют короткозамкнутый ротор. Короткозамкнутый ротор обычно изготавливают нижеописанным способом.

Сердечник ротора спрессовывают из множества круглых листов электротехнической стали. Каждый стальной лист изолируют друг от друга слоем лака. Такой способ изготовления сердечника применяется для уменьшения потерь электроэнергии. Если бы сердечники изготавливались из единого куска стали, то были бы большие потери на образование вихревых токов. То есть, электродвигатель потреблял бы больше электроэнергии, чем ему практически нужно для выполнения работы. А также ротор перегревался бы даже при небольших нагрузках. Однако, все же существует разновидность асинхронных двигателей с массивным ротором.

В итоге, получается конструкция цилиндрической формы с выполненными в ней пазами. Пазы параллельны друг другу. Однако, они не параллельны оси самого ротора. Чаще всего они имеют некоторый перекос направления относительно этой оси. Этот перекос уменьшает высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока. Такие пульсации происходят из-за того, что магнитное сопротивление зубцов статора и ротора, образованных благодаря пазам, намного ниже магнитного сопротивления обмотки, которая находится в пазах.

То есть, часть ротора, на которой находится обмотка, имеет неоднородную структуру по своей окружности. Сначала сталь, потом алюминий, затем опять сталь и так далее. Потому и магнитное сопротивление на разных участках этой окружности очень отличается. А отсюда пульсации магнитного потока. А скосы позволяют свести к минимуму различие магнитных сопротивлений. И соответственно уменьшатся пульсации. Проще говоря, благодаря такому направлению пазов, работа асинхронного двигателя становится более плавной и менее шумной. К примеру, работа электродвигателя с ротором, у которого нет такого скоса у пазов для обмотки, будет сопровождаться сильным гудением или свистом.

В пазах находятся стержни из сплава алюминия. При изготовлении ротора алюминий впрессовывается или заливается в пазы. С двух сторон цилиндра ротора стержни соединяются (замыкаются) алюминиевыми кольцами. На кольцах могут располагаться лопасти для охлаждения электродвигателя. Алюминиевые стержни и кольца представляют собой обмотку ротора. Такой вид обмотки обычно называется — «беличья клетка». Однако, по форме она скорее напоминает колесо, в котором бегают белки для соблюдения моциона. Обмотка типа «беличья клетка» может иметь некоторые разновидности в своем устройстве.

Статор асинхронного однофазного электродвигателя

Сердечник статора также набран из отдельных стальных листов. По той же причине, что и сердечник ротора. И также на сердечнике статора имеются пазы. В пазах расположена обмотка статора. Но в отличии от обмотки ротора, эта обмотка намотана в пазах медной обмоточной проволокой. Питание переменным током напряжением 220 вольт подключают к обмотке статора. А то, каким образом подключают питание, зависит от особенностей принципа работы однофазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Читайте также:  Причины стука пальцев в инжекторном двигателе

Принцип работы асинхронного однофазного двигателя

У однофазного асинхронного электродвигателя на статоре обычно находятся две обмотки. Потому как одной обмотки для работы подобного электродвигателя не достаточно. Переменный ток, протекающий по одной обмотке, создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток. Для удобства объяснения происходящего принято считать этот пульсирующий поток за два вращающихся в противоположные стороны магнитных потока (Φпр и Φобр).

Считается, что благодаря электромагнитной индукции два этих магнитных потока наводят в обмотке ротора две противоположные ЭДС. А эти электродвижущие силы образуют в обмотке ротора два противоположно протекающих тока. То есть, ток прямой и ток обратный (Iпр и Iобр ). Также считается, что каждый из магнитных потоков обуславливает для ротора вращающий электромагнитный момент (Mпр и Mобр). Принято считать, что оба эти вращающих момента равны (Mпр = Mобр). Потому пусковой момент для ротора однофазного асинхронного двигателя равен нулю. Иначе говоря, такой электродвигатель не может самостоятельно запуститься при подаче на рабочую обмотку статора питания.

Чтобы асинхронный однофазный двигатель запустился, нужно во время пуска создать в нем вращающееся магнитное поле. А ведь в электродвигателе уже существует два противоположно вращающихся магнитных поля. То есть, задача состоит в том, чтобы подавить одно из вращающихся магнитных полей. И тогда останется всего один вращающийся магнитный поток. И мы придадим первоначальное вращение ротору. Для этого используется вторая, вспомогательная обмотка и фазосмещающий элемент.

Считается, что вспомогательная обмотка также производит два противоположно вращающихся магнитных поля. Причем, вспомогательная обмотка расположена в стартере особым образом. Ее расположение позволяет взаимно подавлять по одному из магнитных потоков главной и вспомогательной обмотки, вращающихся в одном направлении. А два других потока при этом, наоборот, взаимно усиливают друг друга.

А также, токи в обмотке статора должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого и применяется какой-либо фазосмещающий элемент. К примеру, индуктивное сопротивление , активное сопротивление или ёмкость. Чаще всего используется конденсатор.

В результате, на статоре остается только один магнитный поток, который вращается в одну сторону. Этот магнитный поток пронизывает обмотку ротора и индуктирует в ней ЭДС. Электродвижущая сила образует в обмотке ротора протекание электрического тока. Этот электрический ток , в свою очередь, вызывает образования магнитного потока ротора. Другими словами, появляются два магнитных поля неподвижные относительно друг друга. И это, согласно третьему закону электромеханики, приводит к электромеханическому преобразованию. Взаимосвязь потоков придает пусковой момент ротору. То есть, при подаче питания произойдет самостоятельный запуск электродвигателя.

Вспомогательная обмотка располагается перпендикулярно рабочей. То есть, осуществляется сдвиг фазы тока в обмотках на четверть периода. Благодаря такому расположению обмоток и такому сдвигу фаз происходит самостоятельный запуск электродвигателя. (Такого эффекта в трехфазном двигателе добиваются, располагая три обмотки под углом 120°. И там это приводит к сдвигу фаз электрического тока на треть периода.)

При разгоне ротора до определенной скорости, вспомогательную обмотку можно отключить. Ротор все равно продолжит вращаться. Осуществление отключения вспомогательной обмотки обычно проводится центробежным выключателем. То есть, во время пуска двигатель является двухфазным, а затем становится однофазным.

Для того, чтобы получить нужный вращающийся магнитный поток с помощью вспомогательной обмотки, нужно соблюдать два условия:

  • Во-первых, магнитодвижущие силы обоих обмоток должны быть равны и сдвинуты относительно друг друга электрически на 90°.
  • Во-вторых, токи в обмотке статора должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°. То есть, необходим сдвиг фазы тока в обмотках на четверть периода.

Если выполнять эти условия, то вращающееся поле статора будет круговым. Это обеспечивает наибольший вращающий момент. При нарушении условий вращающееся поле становится эллиптическим. Такое поле ухудшает пуск электродвигателя и создает для ротора тормозной момент.

Если бы не было вспомогательной обмотки, пришлось бы каждый раз электродвигатель запускать вручную. То есть, нужно было бы придавать ему первоначальное вращение. Причем, в какую сторону это вращение бы было придано, в ту сторону и вращался бы ротор. После вращательного толчка он вращался бы самостоятельно, до отключения его от питания.

В асинхронном электродвигателе скорость вращения ротора всегда меньше чем скорость вращения магнитного поля статора. Иначе говоря, магнитное поле статора и ротор вращаются не одновременно и не синхронно. Их вращение не совпадает по времени. Из-за этой особенности подобные двигатели и названы асинхронными.

Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором надежны, потому как просты в конструкции. Они дешевы по стоимости изготовления по сравнению с другими видами электродвигателей. А также, удобны для ремонта и обслуживания. Благодаря всем этим преимуществам, однофазный асинхронный электродвигатель находит свое применение во многих бытовых электроприборах.

Конечно, они имеют свои недостатки. Например, при тех же размерах однофазные асинхронные двигатели развивают мощность составляющую максимум 50% от мощности трехфазных асинхронных двигателей. Но для бытовых условий данный недостаток несущественен. Потому как большие мощности в домашних условиях и не нужны. Обычно подобные электродвигатели изготавливают мощностью до 1 киловатта.

Для вашего удобства подборка публикаций

Источник

Adblock
detector