Асинхронный двигатель переменного тока

Как работают двигатели

Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).

В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.

Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей. Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода. Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.

После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.

Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).

Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка.

В этом случае вращающееся магнитное поле статора порождает ток в стержнях ротора, из-за которого также возникает еще одно магнитное поле. А что происходит, когда рядом расположены два магнита?

Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.

Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н. конденсаторных асинхронных двигателях)

конденсаторных асинхронных двигателях).

Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.

Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.

Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Благодаря удобству передачи на большие расстояния и легкости преобразования переменный ток успешно стал стандартом электроснабжения.

В сфере же производства электродвигателей его способность возбуждать переменное магнитное поле в статоре и соответственно индуцировать ток в короткозамкнутой обмотке ротора позволила создать асинхронные электродвигатели. В этом типе двигателей единственным испытывающим трение узлом остаются коренные подшипники якоря.

Ротор такого электродвигателя – это металлический цилиндр, в пазы которого под углом к оси вращения запрессованы или залиты токопроводящие жилы, на торцах ротора объединенные кольцами в одно целое. Переменное магнитное поле статора возбуждает в роторе, напоминающем беличье колесо, противоток и, соответственно, отталкивающее его от статора магнитное поле.

В зависимости от числа обмоток статора асинхронный двигатель может быть:

Однофазным – в этом случае главным недостатком двигателя становится невозможность самостоятельного запуска, так как вектор силы отталкивания проходит строго через ось вращения.

Для начала работы двигателю необходим или стартовый толчок, или включение отдельной пусковой обмотки, создающей дополнительный момент силы, смещающий их суммарный вектор относительно оси якоря.

Двухфазный электродвигатель имеет две обмотки, в которых фазы смещены на угол, соответствующий геометрическому углу между обмотками. В этом случае в электродвигателе создается так называемое вращающееся магнитное поле (спад напряженности поля в полюсах одной обмотки происходит синхронно с нарастанием его в другой).

Такой двигатель становится способным к самостоятельному запуску, однако имеет трудности с реверсом. Поскольку в современном электроснабжении не используются двухфазные сети, фактически электродвигатели этого рода применяются в однофазных сетях с включением второй фазы через фазовращающий элемент (обычно – конденсатор).

Трехфазный асинхронный электродвигатель – наиболее совершенный тип асинхронного мотора, так как в нем появляется возможность легкого реверса – изменение порядка включения фазных обмоток изменяет направление вращения магнитного поля, а соответственно и ротора.

Коллекторные двигатели переменного тока используются в тех случаях, когда требуется получение высоких частот вращения (асинхронные электродвигатели не могут превышать скорость вращения магнитного потока в статоре – для промышленной сети 50 Гц это 3000 об/мин).

Кроме того, они выигрывают в пусковом крутящем моменте (здесь он пропорционален току, а не оборотам) и имеют меньший пусковой ток, меньше перегружая электросеть при запуске. Также они позволяют легко управлять своими оборотами.

Обратной стороной этих достоинств становится дороговизна (требуется изготовление ротора с наборным сердечником, несколькими обмотками и коллектором, который к тому же сложнее балансировать) и меньший ресурс. Помимо необходимости в регулярной замене стирающихся щеток, со временем изнашивается и сам коллектор.

Синхронный электродвигатель имеет ту особенность, что магнитное поле ротора индуцируется не магнитным полем статора, а собственной намоткой, подключенной к отдельному источнику постоянного тока.

Благодаря этому частота его вращения равна частоте вращения магнитного поля статора, откуда и происходит сам термин «синхронный».

Как и двигатель постоянного тока, синхронный двигатель переменного тока является обратимым:

  • при подаче напряжения на статор он работает как электродвигатель;
  • при вращении от внешнего источника он сам начинает возбуждать в фазных обмотках переменный ток.

Основная область использования синхронных электродвигателей – высокомощные приводы. Здесь увеличение КПД относительно асинхронных электромоторов означает значительное снижение потерь электроэнергии.

Также синхронные двигатели используются в электротранспорте. Однако, для управления скоростью в этом случае требуются мощные частотные преобразователи, зато при торможении возможен возврат энергии в сеть.

Принцип действия и устройство синхронного двигателя

Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.

Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.

По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.

Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.

Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.

По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:

· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.

· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.

Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:

Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.

Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.

При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.

Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя: больше чем у асинхронного двигателя.

Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения Iв увеличивается магнитный поток Ф. увеличивается ЭДС E и увеличивается максимальный момент Mмакс .

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если MсMмакс. двигатель такой момент не преодолеет и остановится.

185.154.22.117 studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Главная | О нас | Обратная связь

Разные типы двигателя

В отличие от трёхфазного, однофазный асинхронный двигатель часто применяется в бытовой технике – пылесосах, стиральных машинах, вентиляторах, кухонных комбайнах, блендерах и т.д. Они же применяются в магнитофонах и проигрывателях виниловых дисков. Даже в составе персонального компьютера можно найти не один асинхронный двигатель. Но к устройству этой версии двигателя мы вернёмся чуть позже.

Первым появился на свет именно трёхфазный электродвигатель, принцип работы которого строился на взаимодействии электромагнитных полей. Основные части асинхронного двигателя – это статор и ротор. Соответственно, статором была названа часть, которая остаётся неподвижной. Именно она находится непосредственно под внешней оболочкой устройства и имеет форму цилиндра. В этой части по кругу расположены три обмотки – под углом 120° друг к другу.

В современных двигателях можно насчитать множество обмоток, однако, они соединены друг с другом так, чтобы каждая последующая отличалась от предыдущей по фазе, и фазовый сдвиг между соседними обмотками составлял 120°. Обмотки наматываются медным проводом, и к каждой из групп подключается напряжение со своей фазы. Таким образом, получается, что магнитное поле движется по этим обмоткам, как бы замыкаясь в кольцо.

Статор тоже имеет свои обмотки. Так как на статор электричество не подаётся, он имеет право на замкнутый проводник, который иногда вместо обмоток формируют в виде так называемой беличьей клетки. Если сравнивать точнее, то эта деталь напоминает не саму клетку для проворного грызуна, а беличье колесо, предназначенное для того, чтобы животное выплёскивало свою неуёмную энергию. В роторе устройства «беличья клетка» формируется путём заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника, выполненного из набранных стальных листов. Такое устройство называется короткозамкнутым ротором.

Если статор выполнен с реальными обмотками, то он обычно делается многополюсным. Такой ротор называют фазным. Обмотки этого ротора замыкают звездой или треугольником.

Ротор имеет собственный вал, который опирается на задний и передний подшипники. Они, в свою очередь, закреплены на корпусе двигателя так, что ротор внутри статора может свободно вращаться. Принцип действия асинхронных двигателей основан на том, что в обмотках или «беличьем колесе» статором наводится магнитное поле. Под его действием в проводниках ротора появляется ток, а с ним – собственное магнитное поле.

Переменное магнитное поле статора увлекает за собой ротор, и тот начинает вращаться. Но магнитное поле ротора всегда запаздывает относительно поля статора, и вращение обоих полей не может происходить синхронно. Это заставляет ротор преодолевать множество действующих на него сил:

  • силу тяготения;
  • трение качения (если используется шариковый или роликовый подшипник);
  • трение скольжения (если в качестве подшипника применяется бронзовая втулка);
  • силу противодействия приводимого в движение оборудования.

Последняя сила зависит от многих моментов, поэтому её невозможно свести к какому-либо простейшему физическому параметру. Если надо сдвинуть с места трамвай, то двигателю приходится на себя брать нагрузку от редуктора, который надо раскрутить, от самого вагона, который надо сдвинуть, к тому же не надо забывать ещё и о силе трения качения, которое испытывают колёса транспортного средства.

В случае когда идет описание работы профессиональной мясорубки, которую приводит в действие асинхронный двигатель, то здесь преодолевается сопротивление и самого редуктора, и того куска мяса или даже кости, которую надо перемолоть.

Поскольку между статором и ротором есть зазор, то ротор под нагрузкой просто отстаёт от статора по угловой скорости. Следовательно, частота вращения ротора зависит от нагрузки на вал двигателя. Нарушается принцип синхронности, оттуда и название самого устройства: «асинхронный двигатель».

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Трехфазный электродвигатель асинхронного типа имеет несколько возможных режимов работы:

  • Пуск.
  • Двигательный режим.
  • Холостой ход.
  • Генераторный режим.
  • Электромагнитное торможение.

Пуск является начальным этапом работы любого двигателя. В этом режиме на обмотку пускается ток и создаются вращающиеся магнитные поля. В момент, когда сила трения меньше электродвижущей — ротор начинает вращение.

Двигательный режим выполняет основную задачу электродвигателя, то есть превращает электродвижущую силу в механическое вращение вала.

Холостой ход происходит, когда на валу отсутствует нагрузка, то есть он не подсоединен к другим устройствам.

Генераторный режим включается, когда обороты вала принудительно, например, с помощью другого двигателя, превышают скорость вращения электромагнитного поля. В этом случае электродвижущая сила имеет обратный вектор и двигатель превращается в источник активной энергии.

Электромагнитное торможение происходит, когда искусственно изменяют направление вращения электромагнитного поля и ротора на противоположные. Происходит довольно быстрое торможение. Применяется только в экстренных случаях, так как выделяется огромное количество тепла.

Принцип работы

Асинхронные электрические машины часто называют индукционными, это связано с их принципом действия. Любой электродвигатель приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора, а также благодаря силе Ампера. Магнитное поле, в свою очередь, может существовать либо вокруг постоянного магнита, либо вокруг проводника, через который протекает ток. Но как работает именно асинхронная машина?

В асинхронном двигателе в отличие от других нет как таковой обмотки возбуждения, тогда как у него появляется магнитное поле? Ответ прост: асинхронный электродвигатель – это трансформатор.

Рассмотрим принцип его работы на примере трёхфазной машины, так как именно они встречаются чаще остальных.

На рисунке ниже вы видите расположение обмоток на сердечнике статора трёхфазного асинхронного двигателя.

В результате протекания трёхфазного тока в обмотках статора появляется вращающееся магнитное поле. Из-за сдвига фаз ток протекает то по одной, то по другой обмотке, в соответствии с этим возникает магнитное поле, полюса которого направлены согласно правилу правой руки. И в соответствии с изменением тока в той или иной обмотке полюса направляются в соответствующую сторону. Что иллюстрирует следующая анимация:

В простейшем (двух полюсном) случае обмотки уложены таким образом, что каждая из них смещена на 120 градусов относительно предыдущей, как и угол сдвига фаз напряжения в сети переменного тока.

Скорость вращения магнитного поля статора принято называть синхронной. Подробнее о том, как оно вращается, и почему вы узнаете из следующего видеоролика. Отметим, что в двухфазных (конденсаторных) и однофазных электродвигателях — оно не вращающееся, а эллиптическое или пульсирующее, а обмоток не 3, а 2.

Если рассматривать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, то магнитное поле статора индуцирует в его стержнях ЭДС, так как они замкнуты, то начинает протекать ток. Из-за чего также возникает магнитное поле.

В результате взаимодействия двух полей и силе Ампера, действующей на ротор, он начинает вращаться вслед за вращающимся магнитным полем статора, но при этом всегда немного отставая от скорости вращения МП статора, это отставание называют скольжением.

Если скорость вращения магнитного поля называют синхронной, то скорость вращения ротора уже асинхронной, от чего он и получил такое название.

У АД с фазным ротором дела обстоят подобным образом, за исключением того, что к его кольцам подключают реостат, который после того как двигатель выйдет на рабочий режим выводится из цепи и обмотки замыкаются накоротко. Это показано на схеме ниже, но вместо реостата использованы постоянные резисторы, подключаемые или шунтируемые контакторами КМ3, КМ2, КМ1.

Такой подход позволяет осуществлять плавный запуск и снижать пусковые токи, за счет увеличения активного электрического сопротивления ротора.

Подведем итоги:

  1. Ток в обмотках статора порождает магнитное поле.
  2. Магнитное поле приводит к возникновению тока в роторе.
  3. Ток в роторе к возникновению поля вокруг него.
  4. Так как поле статора вращается, то из-за своего поля ротор начинает вращаться за ним.

Виды электромеханических устройств

Статор — понятие и принцип действия

Используют ротор в таких электромеханических устройствах, как двигатели, работающие на постоянном и переменном электрическом токе, генераторы.

Агрегаты, работающие на переменном токе

К таким агрегатам относятся различные электродвигатели. Наиболее распространенная модель данного устройства состоит из следующих частей:

  • Алюминиевый или чугунный ребристый корпус с монтажной коробкой для подключения обмоток статора и ротора;
  • Статор – неподвижная часть в виде полого цилиндра, расположенная внутри корпуса. Обмотка статора состоит из 3 пар расположенных друг напротив друга намотанных в пазы корпуса катушек из медного изолированного провода
  • Цельнометаллический цилиндрический ротор с валом и пазами, в которые впаяны обладающие высокой токопроводящей способностью алюминиевые стержни.

Двигатель, запитываемый от переменного тока

Вращается ротор на двух опорных подшипниках, запрессованных на его валу. Охлаждение работающего на больших оборотах электродвигателя происходит, благодаря крыльчатке – небольшому вентилятору, состоящему из множества лопастей и расположенному на одном из концов вала ротора. Также эффективному охлаждению работающего агрегата способствует ребристая структура алюминиевого корпуса.

Принцип работы подобного двигателя заключается в следующем:

  1. При подключении тока к агрегату он попеременно проходит через одну из трех пар катушек статора.
  2. При протекании по парам статорных катушек электрического тока они создают магнитное поле, силовые линии которого пересекают ротор.
  3. Попеременно запитываемые пары катушек создают подвижное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции провоцирует появление в неподвижных металлических стержнях ротора электрического тока.
  4. Индуцированный ток в роторе приводит к появлению силы, выталкивающей его из магнитного поля статора. Так как частота подачи тока на катушки статора в среднем составляет порядка 30 импульсов в секунду, появившаяся в роторе выталкивающая сила приводит к его вращению с большой скоростью.

Важно! В зависимости от одновременности вращения ротора и порождающего это движение магнитного поля электрический двигатель переменного тока может быть синхронный (ротор агрегата вращается синхронно с магнитным полем статора) и асинхронный (вращение якоря не синхронизировано с движением магнитного поля статора). Первый вид отличается высокой мощностью и надежностью, в то время как второй характеризуется большим разнообразием конструкций и областей применения

Машины постоянного тока

Наиболее распространенный электродвигатель постоянного тока щеточного вида представляет собой электрический агрегат, состоящий из:

  • Чугунного корпуса с ребрами охлаждения и специальным монтажным коробом для подключения обмоток агрегата;
  • Вала из прочной инструментальной стали с двумя подшипниками;
  • Якоря, состоящего из сердечника (набора пластин из специальной электротехнической стали), якорной обмотки (размещенных в пазах сердечника катушек из медного провода);
  • Индуктора, состоящего из полюсов возбуждения с намотанными на них катушками из медного провода;
  • Коллектора – расположенных на валу медных пластин, к которым подключаются выводы катушек якорной обмотки;
  • Подпружиненных графитовых или металлографитовых щеток (щеточной группы).

Охлаждается такой двигатель, как и аналог, работающий от переменного тока, – расположенной на валу крыльчаткой.

Двигатель, работающий от постоянного тока

Важно! В отличие от электродвигателя переменного тока частотой вращения ротора в таком силовом агрегате управляет специальный блок, который при помощи установленного на валу датчика Холла определяет положение ротора и его скорость. Работает подобный агрегат следующим образом:

Работает подобный агрегат следующим образом:

  1. На обмотку возбуждения подается напряжение, создавая тем самым постоянное магнитное поле;
  2. Через щетки и коллектор напряжение подается на катушки сердечника якоря – возникающее при этом магнитное поле отталкивается от такого же, образованного индуктором, вследствие чего двигатель начинает вращаться («запускается»);
  3. Впоследствии при вращении через щетки запитываются остальные катушки якорной обмотки, что приводит к равномерному вращению якоря с определённой скоростью.

Останавливают вращение такого агрегата прекращением подачи напряжения на щеточную группу.

Помимо описанных выше электромоторов, к машинам, работающим на постоянном токе, относится также роторный стартер – устройство, необходимое для запуска бензиновых и дизельных автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Особенность подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

Выбираем схему подключения, ориентируясь на допустимое напряжение:

  • 127 на 220 В – треугольником;
  • 220 на 380 В – звездой.

Дальше – важно правильно подключить, задействуя в схеме конденсатор или катушку. У нас 6 клемм, а подключить нужно 2 провода

И здесь, главное, не ошибиться. Нулевой провод сети идет на одну обмотку, фаза – на вторую, на третью также подается токоведущий провод по перемычке – через конденсатор.

Двигатель будет работать примерно так, когда обрывается одна из фаз.

Для запуска могут применяться электронные преобразователи и прочие устройства. Сдвиг фазы с помощью конденсатора, рассчитанного на 400 вольт – наиболее часто используемый.