Что такое асинхронный двигатель и как он работает

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной , так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя . Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем . Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя , помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.

Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.

Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.

На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.

Рассмотрим – подробнее этот процесс.

Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля

В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.

Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.

В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.

Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).

При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».

Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.

Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.

Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки . В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.

Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле . При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.

При частоте трехфазного тока f , равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:

при двухполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 1 = 3000 об/мин,

при четырехполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 2 = 1500 об/мин,

при шестиполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 3 = 1000 об/мин,

при числе пар полюсов статора, равном p : n = (f х 60 ) / p ,

Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.

Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.

Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 – 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.

В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя , подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором .

Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:

1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.

2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».

Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».

Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».

Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором , но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

Типы асинхронных электродвигателей

Основной тип асинхронных машин — трехфазный асинхронный двигатель . Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединяются в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.

Двигатели малой мощности в большинстве случаев выполняются как двухфазные . В отличие от трехфазных двигателей они имеют на статоре две обмотки, токи в которых для создания вращающегося магнитного поля должны быть сдвинуты на угол π /2.

Если токи в обмотках равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, то работа подобного двигателя ничем не будет отличаться от работы трехфазного. Однако такие двигатели с двумя обмотками на статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети и сдвиг, приближающийся к 90°, создается искусственным путем, обычно за счет конденсаторов.

Однофазный двигатель , имеющий только одну обмотку на статоре, практически неработоспособен. При неподвижном роторе в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле и вращающий момент равен нулю. Правда, если ротор такой машины раскрутить до некоторой скорости, то далее она может выполнять функции двигателя.

В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но оно слагается из двух симметричных — прямого и обратного, которые создают неравные моменты — больший двигательный и меньший тормозной, возникающий за счет токов ротора повышенной частоты (скольжение относительно обратносинхронного поля больше 1).

В связи с изложенным однофазные двигатели снабжаются второй обмоткой, которая используется как пусковая. В цепь этой обмотки для создания фазового сдвига тока включают конденсаторы, емкость которых может быть достаточно велика (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт).

В системах управления используются двухфазные двигатели, которые иногда называют исполнительными . Они имеют две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, непосредственно подключается к сети 50 или 400 Гц. Вторая используется как обмотка управления.

Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего момента ток в обмотке управления должен быть сдвинут на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется изменением значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс обеспечивается изменением фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключением обмотки).

Двухфазные двигатели изготовляются в нескольких исполнениях:

с короткозамкнутым ротором,

с полым немагнитным ротором,

с полым магнитным ротором.

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение органов рабочей машины всегда связано с необходимостью использования каких-либо механических узлов: зубчатых реек, винта и др. Поэтому иногда целесообразно выполнение двигателя с линейным перемещением ротора-бегунка (название ’’ротор” при этом может быть принято только условно — как движущегося органа).

В этом случае двигатель, как говорят, может быть развернут. Обмотка статора линейного двигателя выполняется так же, как и у объемного двигателя, но только должна быть заложена в пазы на всю длину максимального возможного перемещения ротора-бегунка. Ротор-бегунок обычно короткозамкнутый, с ним сочленяется рабочий орган механизма. На концах статора, естественно, должны находиться ограничители, препятствующие уходу ротора за рабочие пределы пути.

Что такое асинхронный двигатель и как он работает

Асинхронный двигатель простой и надежный и от этого очень часто используется на производстве и в бытовой технике, от привода задвижек до вращения барабана в стиральной машине. В этой статье мы простыми словами расскажем о том какие бывают асинхронные электродвигатели, что это такое и как работает данный тип электрических машин.

Асинхронные двигатели (АД) делятся на две основные группы:

• с короткозамкнутым ротором (КЗ);
• с фазным ротором.

Если опустить нюансы, то отличие заключается в том, что у АД с короткозамкнутым ротором нет щеток и выраженных обмоток, он менее требователен в обслуживании. Тогда как в асинхронных двигателях с фазным ротором есть три обмотки, соединенные с контактными кольцами, ток с которых снимается щетками. В отличие от предыдущего лучше поддаётся регулированию момента на валу и проще реализуется плавный запуск для снижения пусковых токов.

В остальном двигатели классифицируют:

• по количеству питающих фаз — однофазные и двухфазные (используются в быту при питании от сети 220В), и трёхфазные (получили наибольшее распространение на производстве и в мастерских).
• по способу крепления — фланцевое или на лапах.
• по режиму работы — для длительного, кратковременного или повторно-кратковременного режима.

И ряду других факторов, которые влияют выбор конкретного изделия для использования в конкретных условиях.

Об однофазных электродвигателях можно сказать много: некоторые из них запускаются через конденсатор, а некоторым требуется и пусковая и рабочая ёмкость. Есть и варианты с короткозамкнутым витком, которые работают без конденсатора и применяются, например, в вытяжках. Если вам интересно — пишите в комментариях и мы напишем об этом статью.

Устройство

По определению «асинхронным» называют двигатель переменного тока, у которого ротор вращается медленнее чем магнитное поле статора, то есть несинхронно. Но это определение не слишком информативно. Чтобы его понять нужно разобраться как устроен этот двигатель.

Асинхронный двигатель, как и любой другой состоит из двух основных частей — ротор и статор. «Для чайников» в электрике расшифруем:

• Статором называют неподвижную часть любого генератора или электродвигателя.
• Ротором называют вращающуюся часть двигателя, которая и приводит в движение механизмы.

Статор состоит из корпуса, торцы которого закрываются подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники. В зависимости от назначения и мощности двигателя используют подшипники скольжения или качения. В корпусе расположен сердечник, на нём установлена обмотка. Её называют обмоткой статора.

Так как ток переменный, чтобы снизить потери из-за блуждающих токов (токи Фуко) сердечник статора набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга окалиной и скрепленных лаком. На обмотки статора подают питающее напряжение, ток протекающий в них называют током статора.

Количество обмоток зависит от числа питающих фаз и конструкции двигателя. Так у трёхфазного двигателя минимум три обмотки, соединённых по схеме звезды или треугольника. Их количество может быть больше, и оно влияет на скорость вращения вала, но об этом мы поговорим далее.

А вот с ротором дела обстоят интереснее, как уже было сказано он может быть или короткозамкнутым, или фазным.

Короткозамкнутый ротор — это набор металлических стержней (обычно алюминиевых или медных), на рисунке выше обозначены цифрой 2, впаянных или залитых в сердечник (1) замкнутых между собой кольцами (3). Такая конструкция напоминает колесо, в котором бегают одомашненные грызуны, отчего её часто называют «беличьей клеткой» или «беличьим колесом» и такое название не жаргонное, а вполне литературное. Для уменьшения высших гармоник ЭДС и пульсации магнитного поля, стержни укладывают не вдоль вала, а под определенным углом относительно оси вращения.

Фазный ротор отличается от предыдущего тем, что на нем уже есть три обмотки, как на статоре. Начала обмоток подключаются к кольцам, обычно медным, они напрессованы на вал двигателя. Позже мы кратко объясним зачем они нужны.

В обоих случаях, один из концов вала соединяют с приводимым в движение механизмом, он выполняется конической или цилиндрической формы с проточками или без, для установки фланца, шкива и других механических приводных деталей.

На «задней» части вала закрепляют крыльчатку, которая необходима для обдува и охлаждения, поверх крыльчатки на корпус надевается кожух. Таким образом холодный воздух направляется вдоль ребер асинхронного двигателя, если эта крыльчатка по какой-то причине не будет вращаться — он перегреется.

Конструкция первого асинхронного двигателя была разработана М.О. Доливо-Добровольским и запатентовал он её в 1889 г. Без особых изменений дожила до настоящего времени.

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.

Скольжение и скорость вращения

Частота вращения магнитного поля статора (n1) больше, чем частота вращения ротора (n2). Разница между ними называется скольжением, а обозначается латинской буквой S и вычисляется по формуле:

Скольжение не является недостатком этого электродвигателя, поскольку если бы его вал вращался с той же частотой, что и магнитное поля статора (синхронно), то в его стержнях не индуцировался бы ток, и он бы просто не стал вращаться.

Теперь о более важном понятии — частота вращения ротора асинхронного электродвигателя. Она зависит от 3 величин:

• частота напряжения питающей сети (f);
• число пар магнитных полюсов (p);
• скольжение (S).

Число пар магнитных полюсов определяет синхронную скорость вращения поля и зависит от числа обмоток статора. Скольжение зависит от нагрузки и конструкции конкретного электродвигателя и лежит в пределах 3-10%, то есть асинхронная скорость совсем немного меньше синхронной. Ну а частота переменного тока у нас фиксирована и равняется 50 Гц.

Поэтому частоту вращения вала асинхронного двигателя сложно регулировать, вы можете воздействовать лишь на частоту питающей сети, то есть установив частотный преобразователь. Можно и понижать напряжение статора, но тогда уменьшается мощность на валу, тем не менее такой приём применяют при пуске АД с переключением обмоток со звезды на треугольник для уменьшения пусковых токов.

Частота вращения поля статора (синхронная скорость) определяется по формуле:

Так в двигателе с одной парой магнитных полюсов (два полюса) синхронная скорость равна:

Наиболее распространены следующие варианты электродвигателей с:

• одной парой полюсов (3000 об/мин);
• двумя (1500 об/мин);
• тремя (1000 об/мин);
• четырьмя (750 об/мин).

Реальная скорость вращения ротора будет несколько ниже, на реальном асинхронном двигателе она указывается на шильдике, например, здесь – 2730 об/мин. Несмотря на это, в народе такой асинхронный двигатель будут называть согласно синхронной скорости или просто «трёхтысячник».

Тогда его скольжение равняется:

Сфера применения

Асинхронный электродвигатель нашел применение во всех сферах деятельности человека. Те что питаются от одной фазы (от 220В) можно встретить в исполнительных механизмах малой мощности или в бытовой технике и инструменте, например:

• в стиральной машине типа «малютка» и других старых советских моделей;
• в бетономешалке;
• в вентиляторе;
• в вытяжке;
• и даже в газонокосилках верхнего ценового сегмента.

На производстве в трёхфазных сетях:

• автоматические задвижки;
• грузоподъёмные механизмы (краны и лебедки);
• вентиляция;
• компрессоры;
• насосы;
• дерево- и металообрабатывающие станки и другое.

Также АД используется в электротранспорте, а в последнее время в интернете активно рекламируют асинхронный двигатель с обмоткой типа «Славянка» и, так называемое, мотор-колесо Дуюнова, о чем вы можете узнать из видеоролика разработчика.

Область применения асинхронных двигателей настолько обширна, что один только список будет длиннее чем эта статья, поэтому каждый электрик должен знать, как он устроен, для чего нужен и где применяется. Подведем итоги и перечислим плюсы и минусы этих устройств.

1. Простая конструкция.
2. Низкая стоимость.
3. Почти не требуют обслуживания.

Главный недостаток — сложность регулировки оборотов, по сравнению с теми же двигателями постоянного тока или универсальными коллекторными машинами. Соответственно и сложно организовать плавный пуск больших машин, и чаще это делают с помощью дорогого частотного преобразователя.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение асинхронных электродвигателей и их области применения. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что это такое и как работает данная электрическая машина!

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

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.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором	С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска	1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления	2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется	3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени	4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации	5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором	С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора	1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент	2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток	3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Асинхронный двигатель: принцип работы и устройство

Из всего спектра выпускаемых в настоящее время электрических моторов наибольшее распространение получил двигатель асинхронный трёхфазный. Практически половина производимой в мире электроэнергии используется именно этими машинами. Они широко применяются в металлообрабатывающей и деревообрабатывающей промышленности. Асинхронный двигатель незаменим на фабриках и насосных станциях. Без таких машин не обойтись и в быту, где они используются и в другой домашней технике, и в ручном электроинструменте.

Область применения этих электрических машин расширяется с каждым днём, так как совершенствуются и сами модели, и используемые для их изготовления материалы.

Каковы же основные части этой машины

Разобрав двигатель асинхронный трехфазный, можно наблюдать два главных элемента.

Одна из важнейших деталей – статор. На фото сверху эта часть двигателя расположена слева. Он состоит из следующих основных элементов:

1. Корпус. Он необходим для соединения всех деталей машины. Если двигатель небольшой, то корпус изготавливают цельнолитым. В качестве материала используют чугун. Применяются также сталь или сплавы алюминия. Иногда корпус малых двигателей совмещает функции сердечника. Если же двигатель имеет большие размеры и мощность, то корпус сваривают из отдельных частей.

2. Сердечник. Этот элемент двигателя запрессовывается в корпус. Служит он для улучшения качеств магнитной индукции. Выполняется сердечник из пластин электрической стали. Для того чтобы снизить потери, неизбежные при появлении вихревых токов, каждая пластина покрывается слоем специального лака.

3. Обмотка. Она размещается в пазах сердечника. Состоит из витков медной проволоки, которые собираются в секции. Соединённые в определённой последовательности, они образуют три катушки, которые в совокупности являются обмоткой статора. Подключается она непосредственно к сети, поэтому называется первичной.

Ротор — это подвижная часть двигателя. На фото он находится справа. Служит он для преобразования силы магнитных полей в механическую энергию. Состоит ротор асинхронного двигателя из следующих деталей:

1. Вал. На хвостовиках его закреплены подшипники. Они запрессовываются в щиты, крепящиеся болтами к торцовым стенкам коробки статора.

2. Сердечник, который собирается на валу. Состоит из пластин специальной стали, обладающей таким ценным свойством, как низкое сопротивление магнитным полям. Сердечник, обладая формой цилиндра, и является основой для укладки обмотки якоря. Роторная, или, как её ещё называют, вторичная обмотка получает энергию благодаря магнитному полю, которое появилось вокруг катушек статора при прохождении по ним электрического тока.

Двигатели по типу изготовления подвижной части

1. Имеющие короткозамкнутую обмотку ротора. Один из вариантов исполнения этой детали показан на рисунке.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет обмотку, сделанную из алюминиевых стержней, которые располагаются в пазах сердечника. В торцевой части они замкнуты кольцами накоротко.

2. Электродвигатели, имеющие ротор, изготовленный с контактными кольцами.

У обоих типов асинхронных двигателей конструкция статора одинаковая. Различаются они только исполнением якоря.

Каков же принцип работы

Якорь трёхфазного асинхронного двигателя, исполненный подобным образом, приводится во вращение благодаря эффекту возникновения переменного магнитного поля в статорных катушках. Чтобы понять, каким образом это происходит, необходимо вспомнить физический закон самоиндукции. Он гласит, что вокруг проводника, по которому проходит поток заряженных частиц, возникает магнитное поле. Величина его будет прямо пропорциональна индуктивности провода и интенсивности протекающего в нём потока заряженных частиц. Кроме того, это магнитное поле формирует силу с определённой направленностью. Именно она нас и интересует, так как является причиной вращения ротора. Для эффективной работы двигателя необходимо иметь мощный магнитный поток. Создаётся он благодаря специальному способу монтажа первичной обмотки.

Известно, что источник питания имеет переменное напряжение. Следовательно, магнитное поле вокруг статора будет иметь такую же характеристику, напрямую зависящую от изменения тока в подающей сети. Примечательно то, что каждая фаза смещена одна относительно другой на 120˚.

Что происходит в обмотке статора

Каждая фаза сети питания подключается к соответствующей катушке статора, поэтому возникающее вокруг них магнитное поле будет смещено на 120˚. Источник питания имеет переменное напряжение, следовательно, вокруг катушек статора, которыми располагает асинхронный двигатель, будет возникать переменное магнитное поле. Схема асинхронного двигателя собирается так, чтобы магнитное поле, возникающее вокруг катушек статора, постепенно изменялось и последовательно переходило от одной обмотки к другой. Таким образом создаётся эффект вращающегося магнитного поля. Можно вычислить его частоту вращения. Измеряться она будет в оборотах за минуту. Определяется по формуле: n=60f/p, где f — это частота переменного тока в подключенной сети (Гц), p — соответствует числу пар полюсов, смонтированных на статоре.

Как работает ротор

Теперь необходимо рассмотреть, какие процессы возникают во вторичной обмотке. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет конструкционную особенность. Дело в том, что к его якорной обмотке напряжение не подводится. Оно там возникает благодаря магнитоиндукционной связи с первичной обмоткой. Поэтому и происходит процесс, обратный тому, что наблюдался в статоре, в соответствии с законом, который гласит, что при пересечении проводника, а в нашем случае это короткозамкнутая обмотка ротора, магнитным потоком в нём возникает электрический ток. Откуда берётся магнитное поле? Оно возникло вокруг первичной катушки при подключении трёхфазного источника питания.

Соединим статор и ротор. Что получится?

Таким образом, имеем асинхронный короткозамкнутый двигатель с ротором, в обмотке которого проходит электрический ток. Он и будет причиной возникновения магнитного поля вокруг якорной обмотки. Однако полярность этого потока будет отличаться от созданного статором. Соответственно, и сила, образуемая им, будет вступать в противодействие с той, которая вызвана магнитным полем первичной обмотки. Это и приведёт в движение ротор, так как на нём собрана вторичная катушка, и хвостовики вала якоря закреплены в корпусе двигателя на подшипниках.

Рассмотрим ситуацию взаимодействия сил, возникающих от магнитных полей статора и ротора, с течением времени. Знаем, что магнитное поле первичной обмотки вращается и обладает определённой частотой. Созданная им сила будет перемещаться, имея аналогичную скорость. Это заставит асинхронный двигатель заработать. И его ротор будет свободно вращаться вокруг оси.

Эффект скольжения

Ситуация, когда силовые потоки ротора как бы отталкиваются от вращающегося магнитного поля статора, получила название скольжения. Следует отметить, что частота асинхронного двигателя (n1) всегда меньше той, с которой перемещается магнитное поле статора. Объяснить это можно так. Чтобы в роторной обмотке возник ток, она должна быть пересечена магнитным потоком с определённой угловой скоростью. И поэтому справедливо утверждение, что скорость вращения вала больше либо равна нулю, но меньше интенсивности перемещения магнитного поля статора. Ротор имеет частоту вращения, зависящую от силы трения в подшипниках, а также от величины отбора мощности с вала ротора. Поэтому он как бы отстаёт от магнитного поля статора. Именно из-за этого частота называется асинхронной.

Таким образом, электроэнергия питающего источника преобразовалась в кинетическую энергию вращающегося вала. Скорость его вращения прямо пропорциональна частоте тока питающей сети и количеству пар полюсов статора. Для увеличения частоты вращения якоря можно использовать частотные преобразователи. Однако работа этих устройств должна быть согласована с количеством пар полюсов.

Как подключить двигатель к источнику питания

Чтобы осуществить пуск асинхронного двигателя, его необходимо подключить к сети трёхфазного тока. Схема асинхронного двигателя собирается двумя способами. На рисунке показана схема соединения выводов двигателя, в которой статорные обмотки собраны способом «звезда».

На этом рисунке изображён другой способ соединения, именуемый «треугольник». Собираются схемы в клеммной коробке, закреплённой на корпусе.

Следует знать, что начала каждой из трёх катушек, их ещё называют обмотками фаз, именуются С1, С2, С3 соответственно. Аналогично подписываются концы, которые имеют названия С4, С5, С6. Если в клеммной коробке нет маркировки выводов, то начала и концы придётся определить самостоятельно.

Как сделать реверс

При возникновении потребности осуществить пуск асинхронного двигателя, изменив направление вращения якоря, надо просто поменять местами два провода подключаемого источника трехфазного напряжения.

Однофазный асинхронных двигателей

В быту проблематично использовать трёхфазные двигатели из-за отсутствия требуемого источника напряжения. Поэтому существует однофазный асинхронный двигатель. Он также имеет статор, но с существенным конструкционным отличием. Оно заключается в количестве и способе расположения обмоток. Это определяет и схему запуска машины.

Если однофазный асинхронный двигатель имеет статор с двумя обмотками, то расположены они будут со смещением по окружности под углом в 90˚. Катушки называются пусковой и рабочей. Соединяются они параллельно, но, чтобы создать условия для появления вращающееся магнитного поля, дополнительно вводится активное сопротивление или конденсатор. Это создаёт сдвиг фаз токов обмоток, близкий к 90˚, благодаря чему создаётся условие для образования вращающегося магнитного поля.

Если статор имеет только одну катушку, то подключённый к ней однофазный источник питания будет причиной пульсирующего магнитного поля. В замкнутой накоротко обмотке ротора появится переменный ток. Он станет причиной возникновения своего магнитного потока. Результирующая двух образовавшихся сил будет равна нулю. Поэтому для запуска двигателя, имеющего такую конструкцию, требуется дополнительный толчок. Создать его можно, подключив конденсаторную схему пуска.

Подключить двигатель к однофазной цепи

Изготовленный для работы от трёхфазного источника питания электромотор может работать и от домашней однофазной сети, но при этом существенно снизятся его характеристики, такие как КПД, коэффициент мощности. Кроме того, снизятся мощность и пусковые показатели.

Если же без подключения не обойтись, то требуется из трёх обмоток статора собрать схему, где их будет только две. Одна рабочая, а другая пусковая. Например, есть три катушки с началами С1, С2, С3 и концами С4, С5, С6 соответственно. Для создания первой (рабочей) обмотки двигателя объединяем концы С5 и С6, а их начала С3 и С2 подключаем к источнику однофазного тока, например, бытовой сети 220 вольт. Роль второй, пусковой обмотки, будет выполнять оставшаяся незадействованная катушка стартера. Она подключается к источнику питания через конденсатор, соединённый с ней последовательно.

Параметры асинхронного двигателя

При подборе таких машин, а также при дальнейшей их эксплуатации необходимо учитывать характеристики асинхронного двигателя. Они бывают энергетические – это коэффициент полезного действия, коэффициент мощности. Важно учитывать и механические показатели. Основным из них считается зависимость между скоростью вращения вала и рабочим усилием, прикладываемым к нему. Существуют ещё пусковые характеристики. Они определяют пусковой, минимальный и максимальный моменты и их соотношение. Важно также знать, каков пусковой ток асинхронного двигателя. Для наиболее эффективного использования двигателя необходимо учитывать все эти параметры.

Нельзя оставить без внимания вопрос энергосбережения. В последнее время он рассматривается не только с позиции уменьшения эксплуатационных затрат. Экономичность электродвигателей снижает уровень экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.

Перед производителями постоянно ставятся задачи разработки и выпуска энергосберегающих двигателей, повышения эксплуатационного ресурса, уменьшения шумового уровня.

Улучшить энергосберегающие показатели можно путём снижения потерь при эксплуатации. А они напрямую зависят от рабочей температуры машины. Кроме того, совершенствование этой характеристики неизбежно приведёт к увеличению срока эксплуатации двигателя.

Снизить температуру обмоток можно, применяя вентилятор наружного обдува, закреплённый на хвостовике вала ротора. Но это приводит к неизбежному повышению шума, производимого двигателем при работе. Особенно ощутим этот показатель при высокой скорости вращения ротора.

Таким образом, видно, что асинхронный двигатель имеет один существенный недостаток. Он не способен поддерживать постоянную частоту вращения вала при возрастающих нагрузках. Зато такой двигатель имеет множество преимуществ по сравнению с образцами электродвигателей других конструкций.

Во-первых, он имеет надёжную конструкцию. Работа асинхронного двигателя не вызывает никаких сложностей при его использовании.

Во-вторых, асинхронный двигатель экономичен в производстве и эксплуатации.

В-третьих, эта машина универсальна. Имеется возможность её использования в любых устройствах, которые не требуют точного поддержания частоты вращения вала якоря.

В-четвёртых, двигатель с асинхронным принципом действия востребован и в быту, получая питание только от одной фазы.

Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство

Электрические установки, которые преобразуют энергию электрическую в энергию механическую, называются электродвигателями. Работают они от переменного тока 3-х фазной сети. В основном сегодня в промышленности и быту применяются асинхронные двигатели. Чтобы разобраться, как они работают, необходимо рассмотреть асинхронный двигатель – принцип работы его, конструкцию и возможности, которые приводят к изменению параметров. Итак, наша статья – устройство и принцип действия асинхронного электрического двигателя.

Конструкция

Буквально несколько слов о том, как устроен асинхронный двигатель. Итак, состоит он из двух частей, между которыми есть небольшой воздушный зазор. Первая часть неподвижная – это статор. Вторая подвижная (вращающаяся) – это ротор. Но и в той, и в другой есть сердечник и обмотка. Только обмотка статора, в данном случае, является первичной, то есть, именно на нее подается электрический ток, а ротора вторичной.

При этом статор состоит из сердечника, обмоток и корпуса (станины), последний чаще всего изготавливается из чугуна или алюминиевого сплава. Сердечник же асинхронного электродвигателя представляет собой конструкцию, собранную из листов специальной электромеханической стали толщиною от 0,35 мм до 0,5 мм. Такая конструкция используется специально, чтобы уменьшить действие вихревых токов, которые обязательно возникают под действием магнитного поля, которое вращается. Это поле созданно обмоткой статора. Если сердечник будет изготовлен из цельного металла, то произойдет его перемагничивание.

Именно в пазы сердечника и укладывается медный провод, который может быть однослойным или многослойным в плане укладки.

Что касается ротора, то, по сути, это вал, на который насажен сердечник. В качестве обмотки здесь используются стержни или из алюминия, или из меди, которые по торцам замыкаются кольцами. Сам он вращается в подшипниках, установленных а торцевых крышках. Вот такие особенности конструкции асинхронного двигателя.

Как работает

Начнем с самого главного, что в электродвигателях движение ротора создается за счет вращающегося магнитного поля, которое, в свою очередь, образуется за счет движения электрического тока в обмотке статора. Это и есть основной принцип действия асинхронного двигателя.

Если более глубоко начать разбираться в процессах, действующих внутри движка, то начнем с определения частоты вращения поля. Для этого можно воспользоваться формулой:

• f – это частота электрической сети питания, измеряемая в герцах (Гц);
• p – это количество пар полюсов.

Образованное магнитное поле пронизывает собой сразу две обмотки: и статора, и ротора. Именно под ее действием образуется электродвижущая сила, которая и вращает моторный вал. При этом в статоре образуется электродвижущая сила самоиндукции. Она, во-первых, направлена против приложенного напряжения в подающей сети. Во-вторых, она же сдерживает ток.

Внимание! В короткозамкнутых электродвигателях обмотка ротора замкнута накоротко, отсюда и название. В фазных моделях обмотка замыкается через сопротивление.

Но как же при этом создается вращение вала? Все дело в том, что под действием электродвижущей силы ротора во вторичной обмотке появляется ток. Именно он, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает определенную электромагнитную силу, которая его и вращает. Кстати, направление действия можно определить по правилу левой руки.

У магнитного поля есть два полюса: северный и южный. Если берем за основу правило левой руки, то полюса вращаются относительно статора против часовой стрелки. То есть, они все время перемещаются. По сути, на этом и основан принцип работы асинхронного двигателя.

Итак, на проводник, где проводит электрический ток, действует электромагнитная сила, о которой уже выше упоминалось. Это суммарная величина, которая образует электромагнитный момент вращения. По-простому, момент движется по направлению вращения самого магнитного поля. Если момент имеет большую величину, то ротор будет обязательно вращаться.

Кстати, электродвижущая сила в обмотках зависит от разности частоты вращения ротора и магнитного поля. Вторая величина должна быть больше первой. И чем данная разница будет больше, тем выше электродвижущая сила. То есть, получается так, что асинхронный двигатель может работать только в том случае, если величина частоты вращения магнитного поля будет больше частоты вращения ротора. Это и есть основное условия работы.

Отсюда и название самого мотора, потому что вал вращается не синхронно с магнитным полем. Вот такой принцип работы и устройство.

Заключение по теме

Итак, в этой статье был разобран принцип действия асинхронного двигателя. Наша задача была по-простому рассказать обычным обывателям, как работает эта электрическая машина, почему она так называется, а также немного обозначить ее устройство. Скажем прямо, что все правила, заложенные в работу мотора, основаны на сложных физических законах, связанных с электричеством. Именно на сложных, поэтому асинхронный двигатель является сложным агрегатом.