какие двигатели переменного тока называются асинхронными
Асинхронный двигатель принцип работы
Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.
Асинхронный двигатель: что это
Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.
Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.
Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:
Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:
Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.
Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы
Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.
Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.
Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора. 
(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)
Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.
Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.
Однофазный асинхронный двигатель
Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.
Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.
Двухфазный асинхронный двигатель
Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.
Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.
На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.
Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.
Схемы подключения
Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».
Треугольник
Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).
В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.
Звезда
Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.
Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.
Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).
В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.
Функциональные и эксплуатационные особенности
Характерные преимущества асинхронных двигателей:
Среди недостатков можно отметить:
Как производятся расчеты
Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:
И выразить из нее скорость вращения ротора:
В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.
При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:
Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:
И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.
Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды
Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.
Устройство
Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.
Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя
Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.
Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.
В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:
Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.
Принцип работы
Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.
Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:
Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре
Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.
Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя
На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:
По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.
Отличие от синхронного двигателя
Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.
Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя
Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:
где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.
Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.
По количеству питающих фаз выделяют:
По типу ротора различают:
По способу подачи питания:
Способы пуска и схемы подключения
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:
Однофазного асинхронного двигателя.
Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:
Трехфазного асинхронного двигателя.
Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:
Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.
Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования
Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.
Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом
Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.
Применение
Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.
Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.
Преимущества и недостатки
К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:
Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.
Асинхронный двигатель переменного тока – особенности данного вида электромоторов
Электрические моторы заняли в жизни человека почетное место и применяются в приборах различной мощности и габаритов. Встретить их можно повсеместно, начиная от электрических зубных щеток, стиральных машин микроволновых печей до беговых дорожек, промышленного оборудования или огромных автомобилях.
Причина популярности предельно ясна даже неспециалисту – простота устройства, легкость в обслуживании, рентабельность производства и многое другое, включая повсеместную электрификацию. Исключение, пожалуй, составляют автомобили, так как подать к ним ток по проводам нельзя, если это не троллейбус, но и то, в этом направлении сегодня ведется множество разработок.
Сегодня мы с вами поговорим о том, что представляет собой асинхронный двигатель переменного тока. Узнаем, как он устроен, и за счет каких принципов работает. Погнали!
Что такое асинхронный двигатель
Трехфазный асинхронный двигатель мало чем отличается от своих собратьев и состоит из двух основных частей – вращающейся и неподвижной, или другими словами ротора и статора. Располагаются они один в другом при этом, не касаясь друг друга. Между деталями имеется небольшой воздушный зазор от 0,5 до 2 миллиметров, в зависимости от конструкции двигателя.
Схематическое строение
Однако это не все детали. Давайте разберем строение более подробно.
Строение статора прекрасно видно на представленной выше схеме, где показано, что сердечник собран из множества пластин совмещенных друг с другом.
Совет! Подшипники должны сидеть очень плотно, при этом они должны быть отцентрованы, смазаны, легко вращаться, то есть быть исправными, иначе при высоких оборотах двигатель очень быстро выйдет из строя.
Также любой двигатель имеет пусковую аппаратуру и силовые цепи, о чем мы подробнее поговорим немного позже.
Принцип вращение электромагнитного поля
Главной особенностью любого электрического двигателя является то, что он способен переводить электрическую энергию в кинетическую, то есть механическую. При этом, разобрав его строение, вы можете увидеть, что никакого прямого или передаточного привода он не имеет. Как же тогда происходит вращение двигателя?
Вся фишка в том, что обмотка статора способна создавать сильное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор, при включении мотора в электрическую сеть. Данное магнитное поле имеет определенную частоту вращения, которая прямопропорциональна частоте переменного тока, и имеет обратную пропорциональность числу пар полюсов обмотки.
То есть данную частоту можно вычислить по формуле: n1 = f1*60/p, где: n1 – частота вращения магнитного поля; f1 – частота переменного тока в Герцах; p – количество пар полюсов.
Пока ничего не понятно?
Ничего, сейчас во всем разберемся.
А что будет, если внутрь данного магнитного поля поместить проводник?
Согласно закону об электромагнитной индукции, который мы подробно описывали в статье про генераторы постоянного и переменного тока, в проводнике возникает электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Если этот проводник замкнут на внешнюю цепь или на себя, то в нем потечет ток.
Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, начинает действовать сила, и контур начинает вращаться. По этому принципу и работают асинхронные двигатели переменного тока, однако вместо рамки в магнитном поле находится короткозамкнутый ротор, который своим внешним видом напоминает беличье колесо.
Интересно знать! Стержни на роторе наклоняют относительно оси его вращения. Делается это для того, чтобы пульсация момента и высшие гармоники ЭДС, сокращающие эффективность двигателя, были меньше.
Особенности асинхронного двигателя
Итак, давайте разбираться с тем, какие двигатели переменного тока называются асинхронными.
Скольжение ротора
Главной особенностью таких агрегатов является то, что частота вращения ротора отличается от этого же показателя у магнитного поля. Назовем условно эти значения n2 и n1, соответственно.
Объяснить это можно тем, что индуцироваться ЭДС может только при этом неравенстве – n2 должна быть меньше n1. Разница в частотах этих вращений называется частотой скольжения, а сам эффект отставания ротора и называется скольжением, которое обозначается как «s». Высчитать этот параметр можно по следующей формуле: s = (n1-n2)/n1.
Мы уже написали, что такой двигатель преобразует электрическую энергию с обмоток статора в кинетическую, однако стоит понимать, что эти силы не равны друг другу. Всегда при преобразовании происходят потери на гистерезисе, нагреве, трении и вихревых токах.
Данная часть энергии рассеивается в виде тепловой, поэтому двигатель и оборудуется вентилятором для охлаждения.
Питание двигателя
Давайте теперь разберемся с тем, как происходит подключение асинхронного электродвигателя переменного тока.
Фазы подключаются к обмотке статора по определенным схемам, называемым звезда и треугольник, каждая из которых имеет свои особенности. Соединения эти могут быть выполнены как внутри двигателя, так и снаружи, в распределительной коробке. В первом случае из корпуса выходит три провода, а во втором шесть.
Для лучшего понимания принципов работ схем давайте введем некоторые понятия:
Эти значения очень важны, так как позволяют рассчитать потребляемую мощность электромотора.
Вот формулы, предназначенные для этого:
Данные формулы вычисления мощности двигателя справедливы для подключения и звездой, и треугольником. Однако стоит всегда учитывать, что подключение одного и того же двигателя разными способами будет сказываться на его энергопотреблении.
А если потребляемая мощность не соответствует параметрам двигателя, то может произойти расплавление обмотки статора, и моментальный выход из строя агрегата.
Чтобы понять это лучше, давайте разберем один наглядный пример:
Как видно из примера, потребляемая мощность стала намного больше, и если двигатель не рассчитан на работу в таком режиме, то он неизбежно перегорит.
Подключение трехфазного двигателя асинхронного типа к однофазной сети
Разобрав принцип работы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, становится понятным, что напрямую подключить его к общественным сетям, в который «царит» одна фаза, не так просто. Выполнить такое подключение становится возможным, если применить фазосдвигающие элементы.
При таком подключении двигатель может работать в двух режимах:
Совет! Емкость конденсатора рассчитывается по специальным формулам, согласно выбранной схеме.
Как управлять электродвигателем
Управление асинхронным электродвигателем переменного тока может быть реализовано тремя способами:
Частотные преобразователи могут реализовать следующие методы регулирования:
Асинхронный двигатель с фазным ротором
До того момента, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели большой и средней мощности изготавливались с фазным ротором. Такая конструкция дает двигателю лучшие свойства по плавному пуску и регулировке оборотов, однако эти агрегаты намного сложнее в плане строения.
Интересно знать! Отдельные модели АДФР, с целью увеличения КПД и ресурса щеток, после запуска ротора поднимают щетки и за счет короткозамкнутого механизма замыкают кольца.
На сегодняшний день устройства с фазными роторами практически не применяются, так как их эффективно заменяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, оснащенные частотным преобразователем.
На этом подведем итог. Мы узнали строение асинхронного трехфазного двигателя и принцип его работы. Материал для большинства читателей будет теоретическим, но, думаем, все равно интересным. Если вам нужно узнать, как выполнить ремонт асинхронного двигателя переменного тока, то прочтите предыдущую статью на нашем сайте. Там будет дана инструкция по разбору, и рассказано, что можно диагностировать и исправить самостоятельно, не обращаясь в мастерскую. Также рекомендуем к просмотру подобранное нами видео.