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:

• I – в этой позиции максимальный ток протекает в красной обмотке электродвигателя, а значение силы тока в желтой и синей равны. Основной поток силовых линий формируется красной фазой, а два других дополняют его.
• II – в данной точке желтая синусоида равна нулю, поэтому никакого потока не создает, а сила тока красной и синей равны. Поток формируется сразу двумя фазами и смещается по часовой стрелке вправо, совершая поворот.
• III – третья точка характеризуется максимумом токовой нагрузки для синей кривой, а красная и желтая имеет равную амплитуду, но противоположную по направлению. В результате чего максимум магнитных линий южного и северного полюса сместиться еще на 30°.

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.

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, отличающихся как сферой применения, так и мощностью согласно ГОСТ 12139-84 . В связи с тем, что все вариации перечислить невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные аппараты разделяются на виды.

По количеству питающих фаз выделяют:

• трехфазные – используются в сетях, где есть возможность подключиться сразу ко всем фазам, но в частных случаях могут запускаться и в однофазной сети;
• двухфазные – применяются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается напряжением сети, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
• однофазные – как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых рабочая, а вторая пусковая.

По типу ротора различают:

• с короткозамкнутым ротором – имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
• с фазным ротором – на роторе устанавливается вспомогательная обмотка, делающая работу электродвигателя более плавной.

Рисунок 5: асинхронный двигатель с короткозамкнутым и с фазным ротором

По способу подачи питания:

• статорные – классические модели, в которых рабочие обмотки устанавливают на статор;
• роторные – рабочие обмотки помещаются на вращающемся элементе, широкое применение на практике получили асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

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:

• прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
• переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
• понижение напряжения;
• плавный пуск;
• изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

• С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.

• С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
• С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

• Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
• Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
• Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

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:

• Относительно меньшая стоимость, в сравнении с другими типами электродвигателей, за счет простоты конструкции;
• Высокая степень надежности, благодаря отсутствию вспомогательных элементов редко выходят со строя;
• Способны выносить кратковременные перегрузки;
• Могут включаться в цепь напрямую без использования дополнительного оборудования;
• Низкие затраты на содержание в ходе эксплуатации.

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.

Видео по теме

Принципиальная Электрическая Схема Электродвигателя

Это приводит к включению контактора торможения КМ1, подаче в обмотки статора постоянного тока от выпрямителя V через резистор Rт и переводу двигателя в режим динамического торможения.

Отключите конденсатор, и запустите мотор вручную: если он перестанет нагреваться — необходимо уменьшить конденсаторную емкость. У рабочей обмотки его значение всегда меньше около 12 Ом , чем у пусковой обычно около 30 Ом.

К примеру, реле времени. В случае необходимости такие электродвигатели могут также подключаться с помощью переходных конденсаторов к однофазной сети.
Подключение электродвигателя от старой стиральной машинки через конденсатор.

Анимация процессов, протекающих в схеме с двумя пускателями показана ниже. Это энергия рассеивается как тепло.

Кроме того, схема управления обеспечивает и нулевую защиту от исчезновения снижения напряжения сети контакторы КМ1 и КМ2.

Такой домен мог бы стоить не одну тыс. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Если нужна задержка просто добавь в схему нужный тебе элемент. Подключение однофазного асинхронника Устройство асинхронного электродвигателя на В приведено на схеме.

Кратковременным подключением пускового конденсатора на валу двигателя создается мощный стартовый вращающий момент, время запуска сокращается в разы.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Нереверсивная схема управления асинхронного двигателя.

Схема показана на рис. Такие электродвигатели допускают два вида подключений коммутацией — в виде звезды или треугольника. Чтобы проверить работоспособность двигателя, следует включить его сначала на 1 минуту, а затем дать поработать около 15 минут. При необходимости смены направления вращения необходимо нажать на кнопку SB1 «Стоп», двигатель остановится и после этого при нажатии на кнопку SB3 двигатель начинает вращаться в другую сторону.

Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Такой режим работы называют «толчковым».

В случае необходимости такие электродвигатели могут также подключаться с помощью переходных конденсаторов к однофазной сети. Нереверсивная схема управления асинхронного двигателя.

Линейное напряжение — разность потенциалов между двумя линейными проводами между фазами.

Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме. Главный минус однофазного тока — невозможность генерирования им магнитного поля, выполняющего вращение.

Эта схема рис.
Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока. Схема двигателя постоянного тока.

Типовые схемы управления ад с короткозамкнутым ротором

Это поможет вовремя выявить и устранить ошибку до выхода из строя самого прибора.

Интенсивность динамического торможения регулируется резистором Rт, с помощью которого устанавливается необходимый постоянный ток в статоре двигателя.

На всех бытовых приборах, от соковыжималки до шлифовальной машины, установлены механизмы этого типа.

Для того, чтобы после подключения к сети мотор заработал, нужен стартовый толчок. Во время отпускания пусковой кнопки, электромотор из двухфазного режима переходит в однофазный, и его работа поддерживается соответствующей компонентой переменного магнитного поля.

Подключение электромотора с пусковым сопротивлением: Вспомогательная обмотка таких устройств имеет повышенное активное сопротивление. Положительные черты: отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени; высокий момент силы на низкой частоте вращения; простое и динамичное управление. Для питания бытовых приборов и электродвигателей применяется подключение к однофазной сети с напряжением в В.

Ниже перечислены дефекты, которые сигнализируют о возможных проблемах с двигателем, их причиной могла стать неправильная эксплуатация или перегрузка: Сломанная опора или монтажные щели. Чтобы проверить работоспособность двигателя, следует включить его сначала на 1 минуту, а затем дать поработать около 15 минут. Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя рис. После нажатия кнопки SB1 пускатель КМ1 приходит в действие, подавая электроток в цепь статора с включенным сопротивлением. В данной схеме нажатием кнопки реверса меняется чередование фаз питающего напряжения на статоре двигателя, что будет вызывать смену направленности его вращения реверсом.

Это приводит к включению контактора торможения КМ1, подаче в обмотки статора постоянного тока от выпрямителя V через резистор Rт и переводу двигателя в режим динамического торможения. Они удовлетворяют большинству требований к электроприводу станков. Схема обеспечивает прямой без ограничения тока и момента пуск двигателя, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий предохранители FА и перегрузки тепловые реле КК. Ниже перечислены дефекты, которые сигнализируют о возможных проблемах с двигателем, их причиной могла стать неправильная эксплуатация или перегрузка: Сломанная опора или монтажные щели.

Схема управления АД с использованием реверсивного магнитного пускателя В схеме предусмотрена защита от перегрузок двигателя реле КК и коротких замыканий в цепи статора автоматический выключатель QF и управления предохранители FА. Однофазные варианты электродвигателей намного проще и не столь критичны, если допущены ошибки в определении полярности или емкости конденсатора. Начало вращения в асинхронных двигателях с трехфазной обмоткой статора происходит автоматически, благодаря чередованию фаз Как видно на структурной схеме, в коллекторном электродвигателе имеются рабочая и пусковая обмотки. Модели различаются между собой по мощности, частоте вращения, высоте оси вращения, КПД.
Тепловая защита электродвигателя. Электротепловое реле

Что такое коллекторный двигатель?

Также действуют защиты, аналогичные описанным ранее.

Более экономичной является схема подключения электродвигателя с конденсатором.

И без понимания принципа работы агрегата никакого совета не могу вам дать. Для этого выполняют подключение, как на схеме. Проводку маркируют и убирают в сторону, а остальные контакты продолжают прозванивать по приведенной схеме.

Асинхронные двигатели обладают невысоким стартовым моментом вращения, поэтому для запуска приходится прибегать к подключению по схеме дополнительных устройств в виде реле пускателя, балластного сопротивления или мощных конденсаторов. Данная схема дает возможность производить запуск электродвигателя и изменять направленность его вращения. К такой сети можно подключить и трехфазный двигатель на В. Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При некотором значении тока в роторе, равном току отпускания реле КА, оно отключится и своим размыкающим контактом замкнет цепь питания контактора КМ2. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила.

Но, в любом случае, при первом запуске стоит обращать внимание на нагрев корпуса и пусковых устройств, а также развиваемые электродвигателем обороты. То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки. Схема подключения обычно дается прямо на корпусе, где маркируются выводящие провода пусковой и рабочей обмотки. Запустить Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор Магнитный момент действующий на ротор Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. При некотором значении тока в роторе, равном току отпускания реле КА, оно отключится и своим размыкающим контактом замкнет цепь питания контактора КМ2.

Схема управления пуском и торможением противовключением АД с фазным ротором Включение двигателя производится нажатием кнопки SВ1, после чего включается контактор КМ1. Рубильники и пакетные выключатели в схемах часто используются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка. Пришлось ещё net добавить.

В то же время питание поступает и на реле времени КТ. Значения КПД, мощности и пускового момента, у однофазных моторов существенно ниже, чем у трехфазных устройств тех же размеров. Далее берем оставшийся третий вывод и через него меряем поочередно, как по схеме, сопротивления на первой и второй клемме. Управление запуском асинхронного двигателя простейшее, достаточно нажать кратковременно на кнопку пускателя, и мотор начнет работу. Это означает, что подключить его можно в бытовую розетку.
Компрессор со-7б 220v.схема подключения