Работа асинхронного двигателя: устройство, виды, принципы

Из этого материала вы узнаете:

Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель имеет следующий принцип работы и устройство. Конструкция включает в себя неподвижный статор и ротор, вращающийся на оси. В статор входит сердечник в виде полого цилиндра, который выполнен из изолированных стальных пластин. На внутренней окружности находятся открытые пазы, в которых помещена первичная обмотка, на нее подаётся электрический ток.

Устройство асинхронного двигателя

Внутри статора помещен ротор, который вращается на валу при помощи подшипников, а те, в свою очередь, закрыты фиксирующими крышками. Снаружи устройство закрыто прочным корпусом. В моделях большой мощности температура работы асинхронного двигателя уменьшается за счет ребер на корпусе, а также отдельного вентилятора, отводящего горячий воздух. Концы обмоток выходят в клеммную коробку.

Асинхронные двигатели бывают короткозамкнутыми и фазными.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Работа асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором происходит в результате взаимодействия сердечника из штампованных листов и первичной обмотки, которая выполнена в виде параллельных металлических стержней, соединенных между собой металлическими кольцами. Визуально такая конструкция похожа на беличье колесо.

Обмотка статора находится под наклоном 10 градусов. При подаче переменного электрического напряжения со смещением 10 градусов появляется вращающееся магнитное поле, при помещении в которое короткозамкнутого ротора силовые линии начинают пересекать проводники и наводят на них электродвижущую силу. Следовательно, возникает ток, а также создается собственное магнитное поле, которое приходит во взаимодействие с вращающимся полем. В результате ротор начинает вращаться в том же направлении, что и собственное поле статора.

Ротор всегда вращается с меньшей частотой, чем статор. В противном случае, если их частоты сравняются, ЭДС исчезнет, вращающий момент упадет до нуля, и устойчивая работа асинхронного двигателя станет невозможной, он просто остановится. Величина отставания частоты вращения ротора от частоты статора называется скольжением. Этот эффект и определят работу двигателей данного типа, сопротивление в них зависит от свойств ротора, включая его сопротивление.

Устройства, использующие принцип работы асинхронного двигателя переменного тока с короткозамкнутым контуром, имеют упрощенную конструкцию, поскольку контакты находятся в неподвижном состоянии. Скорость вращения при этих условиях изменяться не может.

Работа асинхронного двигателя с фазным ротором

Фазный ротор имеет конструкцию, похожую на статор. Сердечник сделан из нескольких электростатических металлических листов, которые установлены с продольными зазорами между ними. В этих зазорах помещаются витки вторичной (фазной) обмотки. Количество фаз ротора и статора должно быть идентичным. Электрические цепи ротора соединяются тремя контактным кольцами, к которым прикреплены концы обмотки. ПЗУ соединяются между собой при помощи звёздочки или треугольника. Если рассматривать конструкцию двухполюсного асинхронного двигателя, то в нем оси обмоток располагаются под углом 10 градусов относительно друг друга.

Работа асинхронного двигателя с фазным ротором

К фазному ротору может подключаться отдельное внешнее сопротивление, которое позволяет повысить качество пуска. Как правило, применяют реостат со ступенчатой настройкой. Мотор, соответственно, также набирает обороты ступенчато. Когда обороты достигают максимального показателя, реостат автоматически отключается за счет закорачивания токосъемных колец.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип работы асинхронного двигателя переменного тока содержится в самом названии: ротор и статор имеют магнитные поля различной частоты (частота поле ротора всегда меньше частоты поля статора).

Для лучшего преставления этого явления можно взять обычный магнитный диск и начать вращать его вокруг своей оси рядом с медным диском. Тот, в свою очередь, также начнет вращаться с меньшей скоростью. Когда магнит вращается, в диске активизируются токи Фуко, которые вращаются по замкнутой траектории. Они представляют собой по своей природе токи короткого замыкания, которые вызывают нагрев материала. В результате в диске формируется собственное магнитное поле, которое приходит во взаимодействие с постоянным полем магнита.

В асинхронном двигателе обмотки статора обеспечивают появление вращающегося магнитного поля. Поток, который возникает в нем, порождает ЭДС в проводнике. При взаимодействии поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора появляется сила, которая и вызывает вращение вала двигателя.

Алгоритм работы асинхронного двигателя с фазным ротором следующий.

• В момент включения двигателя поле статора начинает пересекать концы ротора и вызывает индукцию электродвижущей силы.
• В роторе появляется переменный ток.
• Поля ротора и статора во взаимодействии вызывают появление крутящего момента.
• Вращающийся ротор начинает «догонять» поле статора.
• При сравнивании частот вращения полей ротора и статора производит затухание электромагнитных процессов, крутящий момент уменьшается до нуля.
• Поле статора снова начинает взаимодействовать с контуром ротора, который снова отстает.

Таким образом, принцип работы однофазного асинхронного двигателя подразумевает частоту поля ротора, которая всегда меньше частоты поля статора.

Так как ток в роторе возникает без контактного взаимодействия, становится возможным обойтись без использования скользящих контактов, что повышает надёжность устройства. Изменение направления вращения вала обеспечивается путем перемены местами фаз на клеммах, что приводит к течению тока в противоположном направлении.

Принцип работы асинхронного двигателя

Направление силы поможет определить правило левой руки, которое изучается еще в школьной программе физики.

Частота вращения поля статора зависит от питающей сети и количества пар полюсов (оно определяется типом мотора, и при необходимости изменения скорости вращения требуется установить соответствующую питающую сеть через преобразователь).

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

К положительным чертам работы асинхронного двигателя относятся:

• Простое устройство.
• Минимальные эксплуатационные расходы, издержки на генерацию единицы мощности при помощи асинхронного мотора ниже остальных.
• Удобство ремонта.
• Доступная цена.

Теперь несколько слов о недостатках двигателей данного типа:

• Сложная настройка частоты вращения вала, малый выбор доступных скоростей.
• Значительная величина токов на старте, это может вызывать перебои в работе сети.
• Инерционность ротора при запуске: если нужно привести в движение устройство большого веса, то мотор может не запуститься.
• Зависимость режимов работы асинхронного двигателя от характеристик сети.

В современных асинхронных электромоторах все эти минусы сведены к минимуму.

Пуск и схемы подключения асинхронного двигателя

Асинхронный мотор с короткозамкнутых контуром отличается минимальными издержками на его работу, высокими значениями пусковых токов и малым усилием при запуске. В этой связи в зависимости от поставленной задачи используются разные варианты старта, чтобы минимизировать бросок тока в обмотках и получить оптимальные рабочие характеристики.

Различают следующие способы запуска:

• Прямой. Напряжение на мотор поступает посредством пускателей или контакторов.
• Переключение способа сопряжения обмоток со звезды на треугольник;
• Уменьшение величины напряжения.
• Плавный старт.
• Регулировка напряжения сети.

Существует несколько схем пуска.

Пуск при работе однофазных асинхронных двигателей

Для такого мотора применяются следующие варианты старта:

• С конденсаторным пуском. После старта мотора вводится пусковой конденсатор, который убирается по прошествии нескольких секунд после запуска. Отличается наибольшими моментами вращения.
• С резисторным пуском электромотора. Позволяет получить исходный сдвиг между векторами ЭДС обмоток.

Пуск при работе однофазных асинхронных двигателей

Пуск при работе трехфазного асинхронного двигателя

Для таких моторов применяются следующие способы старта:

• Непосредственно в цепь с использованием контактора или пускателя. В результате формируются максимальные токи, поэтому данный вариант не годится для высоких механических нагрузок на вал.
• Переключением способа соединения со звезды на треугольник. Позволяет уменьшить токи в обмотках мотора, так как питающее напряжение снижается с линейного до фазного.
• Подключение через опосредующее устройство – преобразователь напряжения, реостат либо автотрансформатор. Это позволяет уменьшить различия между потенциалами. Может еще использоваться смена количества пар полюсов, частоты питающего тока.

Кроме того, трёхфазные моторы способны задействовать прямую и реверсивную схемы. Прямая схема включения в цепь используется для раскрутки вала двигателя в одну строну, а реверсивная даёт возможность выбирать необходимое направление вращения.

Регулировка скорости асинхронного двигателя

Для того чтобы изменить режим (скорость) работы асинхронного двигателя, применяются три способа.

• Изменение частоты электросети.
• Изменение количества пар полюсов.
• Изменение величины скольжения.

Для смены количества пар полюсов обмотка статора должна быть установлена определённым способом. Далее происходит переключение на одну, две либо три пары, при этом изменение является ступенчатым. Аналогичным образом изменяется и скорость вращения вала мотора. В многополюсных обмотках статора частота вращения больше.

Основным фактором, влияющим на величину скольжения при работе асинхронного двигателя, является сопротивление. На ротор устанавливаются обмотки, а выводы делаются через кольца. Вводится скользящий контакт, что снижает надежность конструкции. Вместе с тем, реостатом или дискретным переключением может вводиться дополнительное сопротивление, благодаря чему ротор плавно или дискретно меняет величину скольжения. В результате меняется и скорость работы вала мотора.

Перечисленные варианты значительно повышают издержки, поэтому чаще всего используется изменение скорости работы асинхронного мотора за счёт смены частоты питающей сети. Для этого применяются частотные преобразователи. В результате формируется непрерывный ряд частот поля статора в заданных границах, что позволяет плавно регулировать частоту вращения вала. Сегодня на долю асинхронных двигателей в промышленности приходится 80 % всех электроустановок.

Часто задаваемые вопросы о работе асинхронного двигателя

Какие факторы учесть при покупке асинхронного мотора?

В первую очередь, нужно учесть задачи, для которых будет использоваться устройство.

• Для вентиляторов и маломощных насосов низкой мощности выбирайте однофазный двигатель.
• Двухфазный мотор понадобится для питания бытовых устройств.
• Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя позволяет использовать его для техники со значительным энергопотреблением, включая промышленное и строительное оборудование. Вместе с тем, настройка такого устройства может вызвать сложности.

Какие условия необходимы для мощного стартового момента в начале работы асинхронного двигателя?

Вращающий момент рассчитывается как магнитный поток, умноженный на силу тока. На старте токи могут в 5-7 раз превышать показатели при номинальном режиме работы асинхронного двигателя.

Допустим, что ротор представляет собой два беличьих колеса разного размера, из которых меньшее вставлено в большее. В этом случае при старте мотора начальный момент будет воздействовать на внешнее колесо. Это объясняется так называемым скин-эффектом, при котором вытесняется ток на высокой частоте. Если катушка имеет два полюса, частота сети составляет 50 Гц, то поле ротора достигает угловой частоты 000 оборотов в минуту. Размер скин-слоя – 9 мм. Чем больше полюсов, тем больше размер слоя. Соответственно, в момент старта ток выдавливается наружу, что приводит к росту вращающего момента.

В настоящих асинхронных двигателях с увеличенным стартовым моментом скин-эффект достигается благодаря глубокому пазу в фазном роторе. Ток разделяется в соответствующие моменты по глубине этого паза. На старте ток сосредотачивается на внешнем контуре, при разгоне мотора и нивелировании скин-эффекта ток перераспределяется в глубину паза, вызывая уменьшение вращающего момента. Соответственно, при работе асинхронного мотора в номинальном режиме расход электроэнергии уменьшается, поскольку нет затрат мощности на запуск.

Зачем асинхронному двигателю охлаждение?

В асинхронном моторе происходит трансформация поступающей на обмотки статора электрической энергии в механическую. На входе и выходе мощность разнится, так как она частично теряется при трении, нагреве и т.д. Эта энергия рассеивается и вызывает тепловыделение, для нивелирования которого необходимо либо ограничивать время работы асинхронного двигателя, либо использовать систему охлаждения.

Асинхронные двигатели очень широко применяются как в промышленности, так и в быту, позволяя максимально эффективно использовать энергоресурсы и повышать производительность оборудования.