Что такое асинхронный двигатель и как он работает

Асинхронный двигатель прост и надежен, благодаря чему очень часто применяется в производственной и бытовой технике, от привода задвижек до вращения барабана в стиральной машине. В этой статье мы простым языком объясним, что такое асинхронные электродвигатели, чем они отличаются и как работает этот тип электрических машин.

  • Типы.
  • Оборудование
  • Принцип действия
  • Скорость движения и вращения
  • Область применения

Асинхронные двигатели (AD) делятся на две основные группы:

  • с короткозамкнутым ротором (SCR);
  • Двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Если не учитывать нюансы, разница в том, что у двигателей с короткозамкнутым ротором нет щеток и характеристической обмотки, они менее требовательны в обслуживании. Напротив, асинхронные двигатели с фазным ротором имеют три обмотки, соединенные с контактными кольцами, от которых ток снимается щетками. В отличие от предыдущей версии, крутящий момент на валу можно лучше контролировать, а плавный пуск легче реализовать для снижения пусковых токов.

В противном случае двигатели классифицируются

  • в зависимости от количества фаз питания — однофазные и двухфазные (используются в быту при питании от сети 220В) и трехфазные (наиболее распространены на производстве и в мастерских)
  • В зависимости от типа установки — на фланце или на ножках.
  • По режиму работы — для непрерывного, кратковременного или многопараметрического режима.

И ряд других факторов, влияющих на выбор конкретного продукта для использования в конкретных условиях.

Об однофазных электродвигателях можно сказать много: некоторые из них запускаются конденсатором, а некоторым требуется как пусковая, так и рабочая мощность. Есть и компактные версии, которые работают без конденсатора и используются, например, в вытяжках. Если интересно, пишите в комментариях, и мы напишем об этом статью.

Устройство

По определению, «асинхронный» — это двигатель переменного тока, в котором ротор вращается медленнее, чем магнитное поле статора, то есть асинхронно. Но это определение не очень информативно. Чтобы понять это, вам нужно понять структуру этого движка.

Асинхронный двигатель, как и любой другой двигатель, состоит из двух основных частей — ротора и статора. «Для чайников» по ​​электричеству расшифруем:

  • Статор — это неподвижная часть любого генератора или электродвигателя.
  • Ротор — это вращающаяся часть двигателя, которая приводит в движение машины.

Статор состоит из корпуса, концы которого закрыты опорными пластинами, в которых установлены подшипники. В зависимости от назначения и мощности двигателя используются подшипники скольжения или подшипники качения. Корпус имеет сердечник, на котором крепится обмотка. Это называется обмотка статора.

Поскольку ток переменный, для уменьшения потерь, вызванных паразитными токами (токами Фуко), сердечник статора изготовлен из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга окалиной и соединенных лаком. Напряжение питания подается на обмотки статора, и ток, протекающий в них, называется током статора.

Количество обмоток зависит от количества фаз питания и конструкции двигателя. Например, трехфазный двигатель имеет не менее трех обмоток, соединенных по схеме звезды или треугольника. Их количество может быть больше, и это влияет на скорость вращения вала, но об этом позже.

Что касается ротора, то все поинтереснее, как уже было сказано, это может быть как короткое замыкание, так и фаза.

Компактный ротор представляет собой набор металлических стержней (обычно алюминиевых или медных), отмеченных цифрой 2 на приведенном выше рисунке, припаянных или залитых в сердечник (1), замкнутых между кольцами (3). Такая конструкция напоминает колесо, в котором бегают домашние грызуны, поэтому ее часто называют «беличья клетка» или «беличье колесо», причем такое название не сленг, а вполне литературное. Чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и пульсации магнитного поля, стержни не размещаются по длине.вал, но под определенным углом к ​​оси вращения.

Фазовый ротор отличается от предыдущего тем, что он уже имеет три обмотки, как и на статоре. Истоки обмоток соединены с кольцами, обычно медными, которые прижимаются к валу двигателя. Позже мы кратко объясним, зачем они нужны.

В обоих случаях один конец вала соединен с приводимым механизмом, он имеет форму конуса или цилиндра с канавками или без них, для установки фланца, шкива и других механических приводных частей.

На «задней» стороне вала установлена ​​крыльчатка, необходимая для обдува и охлаждения, а над крыльчаткой размещен корпус. Таким образом, холодный воздух направляется вдоль асинхронных ребер. двигатель, если этот ротор по каким-либо причинам не вращается — он перегреется.

Конструкция первого асинхронного двигателя была разработана М.О. Долво-Добровольский. Доливо-Добровольского и запатентовал его в 1889 году.

Принцип работы

Индукционные машины часто называют индукционными машинами из-за их принципа действия. Каждый электродвигатель приводится в действие за счет взаимодействия магнитных полей ротора и статора и силы Ампера. Магнитное поле, в свою очередь, может существовать как вокруг постоянного магнита, так и вокруг проводника, по которому течет ток. Но как именно работает асинхронная машина?

Асинхронный двигатель, в отличие от других, не имеет обмотки возбуждения как таковой, так откуда же у него магнитное поле? Ответ прост: асинхронный двигатель — это трансформатор.

Рассмотрим принцип его работы на примере трехфазной машины, так как они самые распространенные.

На рисунке ниже показано расположение обмоток на сердечнике статора трехфазного асинхронного двигателя.

Протекание трехфазного тока в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Из-за фазового сдвига ток течет в одной обмотке, а ток течет в другой, соответственно создается магнитное поле с полюсами, направленными по правилу правой руки. А в зависимости от изменения тока в той или иной обмотке полюса направляются в нужном направлении. Как показано на анимации ниже:

В простейшем случае (двухполюсном) обмотки расположены таким образом, что каждая из них смещена на 120 градусов от предыдущей, как и фазовый угол напряжения в сети переменного тока.

Скорость вращения магнитного поля статора обычно называют синхронной. Узнайте больше о том, как он вращается и почему, в видео ниже. Следует помнить, что в двухфазных (конденсаторных) и однофазных электродвигателях — он не вращающийся, а эллиптический или пульсирующий, а обмоток не 3, а 2.

Если мы рассмотрим асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, магнитное поле статора индуцирует ЭДС в его стержнях, и, поскольку они закорочены, начинает течь ток. Он также создает магнитное поле.

В результате взаимодействия обоих полей и силы Ампера, действующей на ротор, он начинает вращаться в соответствии с вращающимся магнитным полем статора, но всегда с небольшой задержкой по отношению к скорости вращения МП статора, эта задержка называется скольжением.

Если скорость вращения магнитного поля называется синхронной, то скорость вращения ротора уже асинхронная, что и дало ему такое название.

Двигатель с фазным ротором имеет аналогичное устройство, с той разницей, что к его кольцам подключен реостат, который при выходе двигателя в рабочее состояние отключается от цепи и обмотки замыкаются. Это показано на схеме ниже, но вместо реостата использовались постоянные резисторы, подключенные или шунтированные через контакторы KM3, KM2, KM1.

Такой подход обеспечивает плавный пуск и снижение пусковых токов за счет увеличения активного электрического сопротивления ротора.


Подведем итоги:

  1. Ток в обмотках статора создает магнитное поле.
  2. Магнитное поле создает ток в роторе.
  3. Ток в роторе создает вокруг ротора поле.
  4. Когда поле статораповорачивается, ротор начинает вращаться за ним благодаря своему полю.

Скольжение и скорость вращения

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

Скольжение не является недостатком этого электродвигателя, поскольку, если его вал вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора (синхронно), в его стержнях не возникает тока, и он просто не вращается.

Теперь перейдем к более важному понятию — частоте ротора асинхронного двигателя. Это зависит от 3-х размеров:

  • частота сетевого напряжения (f);
  • количество пар полюсов (p);
  • скольжение (S).

Количество пар полюсов определяет синхронную скорость вращения поля и зависит от количества обмоток статора. Скольжение зависит от нагрузки и конструкции рассматриваемого электродвигателя и находится в пределах 3-10%, т.е. асинхронная скорость немного ниже синхронной. Что ж, частота переменного тока постоянна и составляет 50 Гц.

Поэтому частоту вращения вала асинхронного двигателя сложно регулировать, повлиять можно только на частоту питающей сети, то есть установив преобразователь частоты. Напряжение статора также может быть уменьшено, но тогда мощность на валу уменьшается, однако этот метод используется при пуске двигателей AD с переключением со звезды на треугольник для уменьшения пусковых токов.

Скорость возбуждения статора (синхронная скорость) определяется по формуле:

Итак, в двигателе с одной парой магнитных полюсов (биполярным) синхронная скорость равна:

Наиболее распространены варианты электродвигателей с:

  • одна пара полюсов (3000 об / мин);
  • два (1500 об / мин);
  • Три (1000 об / мин);
  • Четыре (750 об / мин).

Фактическая частота вращения ротора будет немного ниже; в реальном асинхронном двигателе это указано на шильдике, например здесь — 2730 об / мин. Тем не менее такой асинхронный двигатель в народе будет называться по синхронной скорости или просто «трехмиллиметровый».

Затем его скольжение выравнивается:

Сфера применения

Асинхронный электродвигатель нашел применение во всех сферах жизнедеятельности человека. Те, которые питаются от одной фазы (от 220В), можно встретить, например, в маломощных исполнительных механизмах или в бытовой технике и инструментах:

  • в стиральной машине типа «Малютка» и других старых советских моделях;
  • В бетономешалке;
  • поклонник
  • капот;
  • и даже косилку высшего класса.



В производстве по трехфазным цепям:

  • автоматические ставни;
  • подъемные устройства (краны и лебедки);
  • вентиляция;
  • компрессоры;
  • насосы;
  • станки для обработки дерева и металла и др.


АД применяется и в электротранспорте, а в последнее время в Интернете активно рекламируются асинхронный двигатель с обмоткой типа «Славянка» и так называемое мотор-колесо Дуюнова, о чем можно узнать из видеоролика разработчика.

Спектр применения асинхронных двигателей настолько широк, что сам список будет длиннее, чем эта статья, поэтому каждый электрик должен знать, как они устроены, для чего они нужны и где используются. Подведем итог и перечислим достоинства и недостатки этих устройств.

  1. Простой дизайн.
  2. Низкие затраты.
  3. Они практически не требуют обслуживания.

Главный недостаток — сложность регулирования скорости вращения по сравнению с такими же двигателями постоянного тока или универсальными коллекторными машинами. Следовательно, сложно организовать плавный пуск больших машин, и чаще это делается с помощью дорогостоящего преобразователя частоты.

На этом мы завершаем обсуждение асинхронных двигателей и областей их применения. Надеемся, вы поняли, что это за электрические машины и как они работают, прочитав эту статью!