Устройство асинхронных. Короткозамкнутый и фазный ротор - в чем различие

(рис. 249 и 250) состоит из следующих основных частей: статор с трехфазной обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой и остов. Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не соединена ни с какой внешней цепью), что определяет высокую надежность такого двигателя.

Магнитная система. Асинхронная машина в отличие от машины постоянного тока не имеет явно выраженных полюсов. Такую магнитную систему называют неявнополюсной. Число полюсов в машине определяется числом катушек в обмотке статора и схемой их соединения. В четырехполюсной машине (рис. 251) магнитная система состоит из четырех одинаковых ветвей, по каждой из которых проходит половина магнитного потока Ф п одного полюса, в двухполюсной машине таких ветвей две, в шестиполюсной - шесть и т. д. Так как через все элементы магнитной системы проходит переменный магнитный поток, то не только ротор 1, но

и статор 2 выполняют из листов электротехнической стали (рис. 252), изолированных один от другого изоляционной лаковой пленкой, окалиной и пр. В результате этого уменьшается вредное действие вихревых токов, возникающих в стали статора и ротора при вращении магнитного поля. Листы статора и ротора имеют пазы открытой, полузакрытой или закрытой формы, в которых располагаются проводники соответствующих обмоток. В статоре чаще всего применяют полузакрытые пазы прямоугольной или овальной формы, в машинах большой мощности - открытые пазы прямоугольной формы.

Сердечник статора 1 (рис. 253, а) запрессовывают в литой остов 3 и укрепляют стопорными винтами. Сердечник ротора напрессовывают на вал ротора, который вращается в шариковых подшипниках, установленных в двух подшипниковых щитах. Воздушный зазор между статором и ротором имеет минимальный размер, допускаемый с точки зрения точности сборки и механической жесткости конструкции. В двигателях малой и средней мощности воздушный зазор обычно составляет несколько десятых миллиметра. Такой зазор обеспечивает уменьшение магнитного сопротивления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьшение намагничивающего тока, требуемого для создания в двигателе магнитного потока. Снижение намагничивающего тока позволяет повысить коэффициент мощности двигателя.

Обмотка статора . Она выполнена в виде ряда катушек из проволоки круглого или прямоугольного сечения. Проводники, находящиеся в пазах, соединяются, образуя ряд катушек 2 (рис. 253,б). Катушки разбивают на одинаковые группы по числу фаз, которые располагают симметрично вдоль окружности статора (рис. 254, а) или ротора. В каждой такой группе все катушки электрически соединяются, образуя одну фазу обмотки, т. е. отдельную электрическую цепь. При больших значениях фазного тока или при необходимости переключения отдельных катушек фазы могут иметь несколько параллельных ветвей. Простейшим элементом обмотки является виток (рис. 254,б), состоящий из двух проводников 1 и 2, размещенных в пазах, находящихся друг от друга на неко-

тором расстоянии у. Это расстояние приблизительно равно одному полюсному делению т, под которым понимают длину дуги, соответствующую одному полюсу.

Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Иногда их называют секциями. Их укладывают таким образом, что в каждом пазу размещается одна сторона катушки или две стороны - одна над другой. В соответствии с этим различают одно- и двухслойные обмотки. Основным параметром, определяющим распределение обмотки по пазам, является число пазов q на полюс и фазу.

В обмотке статора двухполюсного двигателя (см. рис. 254, а) каждая фаза (А-Х; B-Y; C-Z) состоит из трех катушек, стороны которых расположены в трех смежных пазах, т. е. q = 3. Обычно q > 1, такая обмотка называется распределенной .

Наибольшее распространение получили двухслойные распределенные обмотки. Их секции 1 (рис. 255, а) укладывают в пазы 2 статора в два слоя. Проводники обмотки статора укрепляют в пазах текстолитовыми клиньями 5 (рис. 255,б), которые закладывают у головок зубцов.

Стенки паза покрывают листовым изоляционным материалом 4 (электрокартоном, лакотканью и пр.). Проводники, лежащие в пазах, соединяют друг с другом соответствующим образом с торцовых сторон машины. Соединяющие их провода называют лобовыми частями. Так как лобовые части не принимают участия в индуцировании э. д. с, их выполняют как можно короче.

Отдельные катушки обмотки статора могут соединяться «звездой» или «треугольником». Начала и концы обмоток каждой фазы выводят к шести зажимам двигателя.

Обмотка ротора. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки (рис. 256,а). Она сделана из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 256,б). Стержни этой обмотки вставляют в пазы ротора без какой-либо изоляции, так как напряжение в короткозамкну-

той обмотке ротора равно нулю. Пазы короткозамкнутого ротора обычно выполняют полузакрытыми, а в машинах малой мощности - закрытыми (паз имеет стальной ободок, отделяющий его от воздушного зазора). Такая форма паза позволяет хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивает ее индуктивное сопротивление.

В двигателях мощностью до 100 кВт стержни беличьей клетки обычно получают путем заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника ротора (рис. 256, в). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают и соединяющие их торцовые короткозамыкающие кольца.

Для этой цели пригоден алюминий, так как он обладает малой плотностью, достаточно высокой электропроводностью и легко плавится.

Обычно двигатели имеют вентиляторы, насаженные на вал ротора. Они осуществляют принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток и стали статора и ротора), позволяя получить от двигателя большую мощность. В двигателях с короткозамкнутым ротором лопасти вентилятора часто отливают совместно с боковыми кольцами беличьей клетки (см. рис. 256, в).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором просты по конструкции, надежны в эксплуатации. Их широко применяют для привода металлообрабатывающих станков и других устройств, которые начинают работать без нагрузки. Однако сравнительно малый пусковой момент у этих двигателей и большой пусковой ток не позволяют использовать их для привода таких машин и механизмов, которые должны пускаться в ход сразу под большой нагрузкой (с большим пусковым моментом). К таким машинам относятся грузоподъемные устройства, компрессоры и др.

Увеличить пусковой момент и уменьшить пусковой ток можно при выполнении беличьей клетки с повышенным активным сопротивлением. При этом двигатель будет иметь увеличенное скольжение и большие потери мощности в обмотке ротора. Такие двигатели называют двигателями с повышенным скольжением (обозначаются АС). Их можно использовать для привода машин, работающих сравнительно небольшое время. На э. п. с. переменного тока эти двигатели (со скольжением до 10%) применяют для привода компрессоров, которые работают периодически в течение коротких промежутков времени при уменьшении давления в воздушных резервуарах ниже определенного предела.

Двигатели с повышенным пусковым моментом. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом имеют специальную конструкцию ротора (обозначаются АП). К ним относятся двигатели с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубокими пазами.

Ротор 3 (рис. 257,а) двигателя с двойной беличьей клеткой имеет две короткозамкнутые обмотки. Наружная клетка 1 является пусковой. Она обладает большим активным и малым реактивным сопротивлениями. Внутренняя клетка 2 является основной обмоткой ротора; она, наоборот, обладает незначительным активным и большим реактивным сопротивлениями. В начальный момент пуска ток проходит, главным образом, по наружной клетке, которая создает значительный вращающий момент. По мере увеличения частоты вращения ток переходит во внутреннюю клетку, и по окончании процесса пуска машина работает как обычный короткозамкнутый двигатель с одной (внутренней) клеткой. Вытеснение тока в наружную клетку в начальный момент пуска объясняется действием, э. д. с. самоиндукции, индуцируемой в проводниках ротора. Чем ниже расположен в пазу проводник, тем большим магнитным потоком рассеяния 6 он охватывается и тем большая э. д. с. самоиндукции в нем индуцируется (рис. 257, в), следовательно, тем большее он будет иметь индуктивное сопротивление.

Вытеснение тока в верхние проводники ротора сильно сказывается при неподвижном роторе, когда частота тока, индуцируемого в обеих клетках ротора, велика. При этом индуктивные

сопротивления обеих клеток значительно больше активных и ток распределяется между ними обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям, т. е. проходит в основном по наружной клетке с большим активным сопротивлением. По мере возрастания частоты вращения ротора частота тока в нем будет уменьшаться (вращающееся магнитное поле будут пересекать проводники ротора с меньшей частотой), и ток начнет проходить по обеим клеткам в соответствии с их активными сопротивлениями, т. е., главным образом, через внутреннюю клетку.

Таким образом, процесс пуска двигателя с двойной беличьей клеткой имеет сходство с процессом пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в начале пуска в цепь обмотки ротора вводится добавочное активное сопротивление (пусковой реостат), а по мере разгона это сопротивление выводится. Точно так же и в рассматриваемом двигателе ток в начале пуска проходит по наружной клетке с большим активным сопротивлением, а затем по мере разгона постепенно переходит во внутреннюю клетку с малым активным сопротивлением.

Для повышения активного сопротивления пусковой клетки стержни ее изготовляют из маргацовистой латуни или бронзы. Стержни рабочей клетки выполняют из меди, обладающей малым удельным сопротивлением, причем площадь поперечного сечения их больше, чем у пусковой клетки. В результате этого активное сопротивление пусковой клетки увеличивается в 4-5 раз по сравнению с рабочей. Между стержнями обеих клеток имеется узкая щель 5, размеры которой определяют индуктивность рабочей клетки. Двухклеточный двигатель на 20-30% дороже коротко-замкнутого двигателя обычной конструкции. Для упрощения технологии изготовления ротора двухклеточные двигатели небольшой и средней мощности выполняют с литой алюминиевой клеткой.

Действие двигателей с глубокими пазами (рис. 257, б) также основано на использовании явления вытеснения тока. В этих двигателях стержни 4 беличьей клетки выполнены в виде узких медных шин, заложенных в глубокие пазы ротора 3 (высота паза в 10- 12 раз больше его ширины). Нижние слои стержней, расположенные дальше от поверхности ротора, охватываются значительно большим числом магнитных линий потока рассеяния 6, чем верхние (рис. 257,г), поэтому они имеют во много раз большую индуктивность. В начале пуска в результате увеличенного индуктивного сопротивления нижних частей стержней ток проходит, главным образом, по их верхним частям. При этом используется только небольшая часть поперечного сечения каждого стержня, что приводит к увеличению его активного сопротивления, а следовательно, и к возрастанию активного сопротивления всей обмотки ротора.

При увеличении частоты вращения ротора вытеснение тока в верхние части стержней уменьшается (по той же причине, что и в двигателе с двойной беличьей клеткой), и после окончания пуска ток равномерно распределяется по площади их поперечного сечения.

Англоязычный справочник называет асинхронный электродвигатель индукционным. Сразу точки встают над i. Интернет забит вопросами отличий данного типа машин, нюансы коллекторных, синхронных движков, на деле выходит просто. Единственный вид двигателей, создающий полюсы явлением индукции. Прочие конструкции применяют постоянные магниты, катушки, питаемые током… Только в индукционных (асинхронных) двигателях используются наводки, создающие движущую силу. Фактор определяет особенность – отличие скорости вращения вала от частоты поля.

Устройство асинхронного двигателя

Начнем простейшим распространенным вариантом: питание переменным током подается на обмотки статора. Посмотрите фото: типичный образчик статора. Вынув ротор, нельзя сказать, какому типу двигателей принадлежит сердечник, увитый медью. Получили главный вывод: статор не определяет методику формирования движущей силы. Скорее выступает опорой, относительно которой действует статор.

Видим составной сердечник, содержащий две катушки. Направление намотки создает два явных полюса. Нельзя назвать сгущения напряженности поля северным или южным, поскольку направление линий постоянно меняется (с удвоенной частотой сети 100 Гц). Сборка ведется следующим образом:

Катушки мотают отдельно. Конструкторы знают, сколько витков нужно, каким проводом вести.
Полученный моток надевают аккуратно на распорки магнитопровода (традиционной формы буквы Т). Для изоляции прокладывают слой винила, другого полимера.
Затем концы обмоток чуть пригибают к периферии, витки плотно упираются в основание буквы Т.
В нашем случае сердечник составной, внутренняя часть катушками вставлена во внешнее кольцо. Но чаще конструкция попроще.

Сердечник собирается из пластин, изолированных друг от друга при помощи лака. Идет работа асинхронного электродвигателя на 230 вольт, переменное поле наводит вихревые токи, вызывая эффект перемагничивания. Чтобы снизить потери, сердечник разбивается на пластины. Специальная сталь, легированная добавками кремния обеспечивает низкий коэффициент электропроводности.

Статор электрического двигателя

В бытовых асинхронных электродвигателях полюсов статора два. Встречаются исключения из правила. На другом снимке видим статор асинхронного двигателя напольного вентилятора с тремя скоростями. Полюсов восемь, чтобы запитать такую кучу железа, понадобился конденсатор. Сдвигает фазу напряжения на минус 90 градусов относительно тока. Становится возможным создать переменное вращающееся поле внутри статора. Данный тип асинхронных двигателей называется конденсаторным.

Первым две фазы использовать предложил Никола Тесла.

Схема выглядит следующим образом:

Четыре обмотки, лежащие в вершинах креста запитываются сетью 230 вольт. Две – противолежащие – имеют один знак полюса, прочие – другой. Получается, поле вращается с половинной скоростью сети (25 Гц). Этого хватает исправной работе вентилятора.
Плавный пуск асинхронного электродвигателя и работы возможны только в условиях, когда поле сглажено. Для этих целей применяются четыре обмотки, лежащие по диагоналям. Здесь напряжение сдвинуто на 90 градусов. Использованием вспомогательных катушек технические характеристики улучшаются.

Как подстраиваются обороты? Регуляторы скорости асинхронного электродвигателя коммутируют обмотку. Клавиатура управления устроена в каждый момент времени допускать нажатие одной кнопки, либо никакой. Восемь обмоток имеют пару отводов. Статором производится нужная коммутация, некоторые ветви запитываются конденсатором. Нажатие каждой кнопки включает в работу часть обмотки. Полностью статор работает на высшей скорости.

Принцип работы схемы

Примерная схема, демонстрирующая принцип работы, иллюстрируется фото. Скорость вращения задается коммутацией обмоток кнопками 1, 2, 3. Необходимость защиты от одновременного включения диктуется требованиями к нормальной работе устройства. В результате реализуется простейшими методами управление по скорости.

Сердечник магнитопровода составлен листами электротехнической стали, снижающей потерь на нагрев. Температура может достигать значительных размеров, поэтому ротор асинхронного двигателя вентилятора снабжается лопастями (см. фото). Любой вентилятор реально может только разогревать воздух, никак не наоборот.

Роторы асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя

В данном случае двигатель обеспечит долговременную работу. Поэтому ротор снабжен лопастями тангенциального вентилятора. Помогает охладить конструкцию жаркими летними ночами. Хозяин может спокойно спать, игнорируя возможность пожара. Любой хороший прибор работает аналогичным образом (себя охлаждает). В данном случае двигатель сконструирован по схеме с короткозамкнутым ротором. На валу сидит барабан, где в силумин утоплены медные жилы. Закорочены друг на друга кольцевым соединителем. Подобное техническое решение в литературе традиционно называется беличьей клеткой (колесом) в силу очевидных причин.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель является доминирующим в быту. Поля в проводниках наводятся статором, затем происходит сцепление через эфир, вал набирает обороты. Никогда не догонит частоту сети. Потому что индукционные токи обращаются в нуль, сцепление нарушается. Вал тормозит, снова подхватывается полем. Подобным образом действуют однофазные асинхронные электродвигатели, любые другие. В сущности, нет разницы, при помощи чего создается переменное поле.

Выделяют ещё одно большое семейство. Устройство асинхронного электродвигателя принципиально иное. Ротор снабжен обмотками, как коллекторный мотор. Обычно трехфазные. Это позволит навести гораздо более сильные поля, возникает крупная проблема: сложно стронуть с места вал. Огромная напряженность поля образует невероятной силы сцепление, за счет чего имеется возможность выхода оборудования из строя. Кроме того вал вообще так не раскрутится.

Вот поэтому для уменьшения силы наведенных токов (напряженности поля) в цепи всех фаз ротора врубается реостат. Активное сопротивление мешает ЭДС развить мощность на валу: некоторая доля рассеивается джоулевым теплом, формируемым активным сопротивлением. Стартовый момент асинхронного двигателя с фазным ротором достаточно велик, срыва оборотов не происходит. Понятно, что значение сопротивлений реостата для каждой конструкции свое. Определяют цифру ротор асинхронного электродвигателя, заданные характеристики, стартовая нагрузка.

Обратите внимание, что во всех случаях с асинхронными двигателями наблюдаем большие потери. Особенно хорошо видно на примере реостата. Мощность асинхронного электродвигателя напрямую тратится на рассеиваемое тепло. Главным достоинство рассматриваемого класса приборов все-таки считаются простота конструкции и обслуживания. В противном случае любые типы асинхронных электродвигателей заброшены бы были на помойку истории.

Как работает асинхронный двигатель

Статор создает вращающееся магнитное поле. Направление линий напряженности определяется правилом буравчика (правой руки). Поэтому статор пока отложим в сторону, попробуем понять, что параллельно происходит на роторе. Начнем беличьей клеткой.

Внутри статора находится поле, линии напряженности которого в первом приближении направлены к центру, где находится вал. Пересекают проводник беличьей клетки под углом близким 90 градусам. По правилу правой руки переменное поле индуцирует ЭДС, порождающую ток. В результате возникает ответ.

Любая пара проводников беличьей клетки обращается в рамку. Вокруг вращается поле статора. По правилу руки возникает ответное поле, направленное противоположно исходному:

Ротор движется медленнее статора. Пусть вращение описывает часовую стрелку.
В какой-то момент северный полюс начинает догонять один из проводников беличьей клетки.
Ток направлен так, что круговые линии напряженности ответного магнитного поля идут навстречу полюсу.
Получается, впереди по курсу полюс наталкивается на одноименный знак заряда, начинает толкать его. Позади образуется «юг», старающийся бежать вслед полю.

Простое краткое объяснение того, почему беличья клетка, в конце концов, начинает вращаться. Ротор не должен быть слишком тяжелым, сцепление полей не очень сильное. Это объясняет низкое тяговое усилие, развиваемое асинхронным двигателем на старте. Пусковой ток высок, поскольку ничто не препятствует генерации поля внутри статора. Обратите внимание: в роторе однофазного асинхронного двигателя, показанного на фото в начале статьи, проводники беличьей клетки чуть наклонены к оси барабана. Помогает создать более равномерный магнитный полюс, компенсируя недостатки (в первую очередь неравномерность) вращения поля статора.

Фазный ротор состоит из обмоток, нормаль которых направлена примерно на центр двигателя (вал). Можно каждую представить гипертрофированной ячейкой беличьей клетки. Витков много (в дрелях, к примеру, порядка 40), сила поля намного выше. За счет резкого скачка на старте потребляемая энергия стала бы слишком большой. Уровень ЭДС значителен (определен скоростью изменения магнитного потока). Цепь ротора дополняется реостатом, пытаются компенсировать недостаток. Активное сопротивление понижает ток, закономерно снижая ответное поле, генерируемое проводниками.

Фазный ротор может улучшить характеристики асинхронных электродвигателей, два-три проводника (грубо говоря) дают большее тяговое усилие. К минусам технического решения относят наличие токосъемников, щеточного аппарата. Для снижения износа в некоторых асинхронных двигателях после набора оборотов ротор закорачивается специальным механизмом. Намного продляется жизнь оборудования.

Не видим причин рассматривать подробнее фазный ротор, лучшей иллюстрацией послужит усиленная беличья клетка. Представьте себе: вместо одной стало сорок штук! Количество (от 40 и вниз) регулируется сопротивлением реостата.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, «благодаря» потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронных электродвигателей

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся , угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p, т. е. ω1=2πf/p

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим малнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора ω2 не равна угловой скорости магнитного поля ω1, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля ω1 и ротора ω2: s=(ω1-ω2)/ω1

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины. Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: ω2=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью ω2>ω1 в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1÷0), генераторный (s=0÷-∞) режимы и режим противовключення (s=1÷+∞). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Пожалуй, нет ни одного серьезного механизма или машины, где не применялись бы электрические двигатели. В автомобиле, с стиральной машине, сельхозтехнике и мелких бытовых приборах - везде используется электрический двигатель. Наибольшее распространение получил асинхронный электрический двигатель и о нем сегодня мы поговорим.

Синхронные и асинхронные двигатели в машиностроении и в быту

Благодаря своей простоте и экономичности, асинхронный электромотор может пригодиться не только в машиностроении и в быту, но мы рассмотрим именно такие двигатели, которые встречаются чаще всего. Причиной популярности асинхронного двигателя переменного тока стали его доступность, возможность подключения к любой розетке электропитания без всяких выпрямителей и согласовательных устройств, а также простотой обслуживания и ремонта в случае чего.

Существуют два вида асинхронных электромоторов - с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Но для начала стоит разобраться в конструкции и узнать принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, после чего станет понятна причина его популярности. Несмотря на то, что асинхронный мотор был разработан еще в конце 19 века, до сих пор его конструкция особенных изменений не претерпела.

Преимущества АС двигателя

Главной особенностью характеристик этого двигателя и самым ценные их проявлением, считают тот факт, что нагрузка на двигатель практически никак не зависит от частоты вращения вала. Магнитные поля и электродвижущую силу изучают уже лет двести, а наш асинхронный двигатель стал лучшим подтверждением тому, это один из самых эффективных методов трансформации энергии.

Принцип работы этого мотора как раз основан на взаимодействии подвижного магнитного поля и токопроводящего элемента, распложенного внутри этого поля. Двигатель, как известно еще со школьной скамьи, состоит из двух базовых узлов - рoтора и статора. Статoр как раз генерирует вращающееся магнитное поле. Конструктивно, статoр представляет собой металлический сердечник, на него намотана обмотка из медной проволоки с термолаковой изоляцией.

Внутри статора, внутри его магнитного поля, поместили ротор, который представляет собой вал с сердечником и обмоткой. На рисунке ниже изображена схема устройства асинхронного мотора.
По схеме понятно, что статор состоит из наборных пластин и нескольких обмоток, которые намотаны на пластинчатый сердечник. Эти обмотки могут подсоединяться по разным схемам, в зависимости от типа напряжения. Каждая их обмоток сдвинута друг отнoсительно друга на 120 градусов. А ротор такого двигателя может быть принципиально двух типов.

Ротор фазного типа принципиально не отличается обмoткой от статора. Это трехфазная обмотка, концы которой соединены по схеме «звезда». Свободные концы обмоток подключены к токоприемным кольцам. Кольца контактируют с проводником посредством щеток и поэтому есть возможность установить в схему подключения дополнительный ограничивающий резистор.

Резистор, как устройство плавного пуска, служит для того, чтобы была возможность уменьшать значения пускового тока, который может достигать довольно крупных значений.

Короткозамкнутый ротор и его особенности

Короткoзамкнутый ротор представляет собой наборной сердечник из специальной листовой стали. Сердечник имеет каналы, которые не изолируют обмотки друг от друга, а наоборот - они залиты расплавленным легкоплавким легким металлом, а он образует прутки, которые в торцах фиксируются на кольцах.

Металл, из которого выполняют эти прутки и которым заливают пространства между сердечниками, зависит от требуемых характеристик двигателя и это может быть как медь, так и алюминий.

Как работает магнитное поле

Работает двигатель на основе процесса получения механической работы в результате воздействия на проводник движущегося магнитного поля. На обмотку статора подают напряжение, причем каждая фаза образует свой магнитный поток. Частота магнитного потока напрямую зависит от частоты подаваемого тока на концы обмотки.

Электродвигатель предназначен для преобразования, с малыми потерями, электрическую энергию в механическую.

Предлагаем рассмотреть принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, трехфазного и однофазного типа, а также его конструкцию и схемы подключения.

Основные элементы электродвигателя это – статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.

Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части мотора – роторе.

У двигателя переменного тока, ротор получает энергию не только за счет магнитного поля, но и при помощи индукции. Таким образом, они называются асинхронными двигателями. Это можно сравнить с вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели еще называют вращающимися трансформаторами. Чаще всего используется модели рассчитанные на трех фазное включение.

Конструкция асинхронного двигателя

Направление вращения электродвигателя задается правилом левой руки буравчика: оно демонстрирует связь между магнитным полем и проводником.

Второй очень важный закон – Фарадея:

ЭДС наводиться в обмотке, но электромагнитный поток меняется во временем.
Величина наведенной ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения электрического потока.
Направление ЭДС противодействует току.

Принцип действия

При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.

Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.

Когда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.

Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.

Как вращается ротор

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.

Гребневые асинхронные двигатели

Когда напряжение питания низкое, возбуждение обмоток короткозамкнутого ротора не происходит. Это обусловлено тем что, когда число зубцов статора и число зубьев ротора равное, таким образом вызывая магнитную фиксацию между статором и ротором. Этот физический контакт иначе называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Данная проблема может быть преодолена путем увеличения количества пазов ротора или статора.

Подключение

Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.

Видео: Как работает асинхронный двигатель

Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.

Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет. Формула

QC = U с I 2 = U 2 I 2 / sin 2

Схема: Подключение асинхронного двигателя

Из которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа, должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.

Аналогия с муфтой

Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления. Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.

Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.

Достоинства и недостатки

Устройство асинхронного двигателя является практически универсальным, но так же, у данного механизма есть свои плюсы и минусы.

Преимущества асинхронных двигателей переменного тока:

Конструкция простой формы.
Низкая стоимость производства.
Надежная и практичная в обращении конструкция.
Не прихотлив в эксплуатации.
Простая схема управления

Эффективность этих двигателей очень высока, так как нет потерь на трение, и относительно высокий коэффициент мощности.

Недостатки асинхронных двигателей переменного тока:

Не возможен контроль скорости без потерь мощности.
Относительно небольшой пусковой момент.