Асинхронный двигатель: принцип работы, устройство и виды

Современное промышленное производство, как постоянно динамично развивающаяся система, требует применения для решения различных задач новых и инновационных технических решений. Вместе с тем, многие производства и сейчас используют в качестве двигателей станков, машин и различных механизмов старых надежных асинхронных двигателей.

Среди применяемых в производстве электронных систем и электрических машин, особое место занимает асинхронный двигатель – электрическая с электронным блоком управления машина, использующая переменный ток для преобразования электрической энергии в механическую.

Более глубокое раскрытие этого понятия основано на принципе использования магнитного поля для создания вращательного движения – статор создает магнитное поле, несколько большее по частоте, чем частота магнитного поля вращающегося ротора.

Магнитное поле заставляет вращаться ротор, при этом, его частота вращения несколько меньше, чем изменение магнитного поля статора, он как бы пытается догнать образовываемое статором поле.

Двигатели такого принципа являются наиболее распространенными видами электрических машин – это наиболее простой и экономичный тип преобразования электрической энергии переменного тока во вращательную механическую энергию.

Как и у большинства технически сложных механизмов, у таких моторов есть масса положительных сторон, главная из которых является отсутствие электрического контакта между подвижными и неподвижными частями машины.

Это достоинство асинхронников и является основным при выборе моделей двигателей в конструкторских разработках – отсутствие коллектора и щеток, контакта между статором и ротором значительно повышают надежность и удешевляют производство таких моторов.

Однако, следует заметить, что это правило справедливо только к одному из видов (хотя и наиболее распространенному виду) – двигателям с короткозамкнутым ротором.

Описание схемы

Работу асинхронного электродвигателя, предназначенного для обычной электросети переменного электрического тока можно описать следующей схемой:

1. На обмотки статора двигателя подается переменный электрический ток от каждой фазы (в случае, если двигатель трехфазный, если ток однофазный, то включение остальных обмоток происходит посредством включения в схему пусковых конденсаторов, играющих роль имитации трехфазной сети).
2. В результате подачи напряжения, в каждой из имеющихся обмоток создается электрическое поле с частотой напряжения, и поскольку они имеют смещение на 120 градусов относительно друг друга, то происходит смещение подачи как во времени (даже ничтожно малого), так и в пространстве (тоже достаточно небольшого).
3. Получившийся в результате вращающийся магнитный поток статора своей силой создает в роторе, вернее в его проводниках, электродвижущую силу.
4. Созданный в статоре магнитный поток, взаимодействуя с магнитным полем ротора, создает пусковой момент – магнитное поле которого стремится повернуться в направлении магнитного поля статора.
5. Магнитное поле постепенно нарастая и превышая так называемый тормозной момент, проворачивает ротор.

Устройство

Наиболее наглядно представить конструкцию агрегата можно на примере асинхронного двигателя, имеющего короткозамкнутый ротор, второй вид электромоторов имеет несколько иную конструкцию, это вызвано тем, что они используют промышленную сеть в 380 Вольт.

Основными составными частями такой электрической машины являются статор и ротор, которые не соприкасаются между собой и имеют воздушный зазор. Такая конструкция основных частей связана с тем, что в состав обеих основных частей электромотора входят так называемые активные части – состоящие из металлического проводника обмотка возбуждения.

Для каждой части имеются своя соответственно статорная и роторная обмотки и стальной сердечник – магнитопровод. Это основные части электродвигателя, принципиально необходимые для работы машины, все остальные части – корпус, подшипники качения, вал, вентилятор – это конструктивно необходимые, но абсолютно не влияющие на принцип работы прибора.

Они во многом играют важную роль, например, подшипники качения, обеспечивают возможность плавности хода, корпус защищает от механического воздействия на основные рабочие части, вентилятор обеспечивает обдув двигателя и отвод тепла, выделяемого при работе, но на принцип преобразования электрической энергии в механическую не влияют.

Итак, основными частями асинхронного электромотора, как электрической машины являются:

1. Статор – основной элемент электромотора, состоящая из трехфазной (или многофазной) обмотки. Особенностью обмотки является определенный порядок расположения витков – проводники равномерно расположены в пазах, имеющих угол 120 градусов по всей окружности.
2. Ротор – второй основной элемент агрегата, представляющий собой цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами. Такая конструкция из-за своей особенности называется «беличья клетка» или короткозамкнутым типом ротора. В ней медные стержни замкнуты на концах кольцом с обеих сторон цилиндра.

Трехфазные обмотки, а конструктивно их по одной на каждую фазу, соединяются подобно обмоткам статора или «звездой» или «треугольником», и концы обмоток этих выводятся на контактные кольца, которые вращаются на валу, электрический ток на них передается через щетки из графита. Этот тип электродвигателей имеет большую мощность и применяется уже в промышленных машинах и станках.

Область применения

В виду особенности конструкции и простоты изготовления, подобные электромоторы нашли основное применение в машинах и механизмах в которых не требуется большое усилие и мощность при работе.

В основном, такие моторы устанавливаются практически на всех бытовых приборах:

• мясорубки;
• фены;
• электрические миксеры;
• бытовые вентиляторы;
• небольшие маломощные бытовые станки;

Трехфазные асинхронные моторы имеют различную мощность, от 150 Вт до нескольких киловатт, и применяются в основном в промышленности в качестве моторов для машин и механизмов.

Применение подобного типа моторов обусловлено приемлемым с точки зрения соотношения мощность/производительность, к тому же, как и их простейшие собраться такие двигатели не требуют большого внимания и кропотливого обслуживания, в особенности те типы корпуса, которые специально разработаны для работы в тяжелых условиях производства.

В виду различных конструкторских задач, стоящих перед разрабатываемыми машинами и механизмами в промышленном, серийном производстве, нашли свое применение асинхронные линейные электромоторы основных четырех видов:

Моторы для однофазной сети

С короткозамкнутым ротором.

Двигатели для двухфазной сети

С короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели

С короткозамкнутым ротором.

Трехфазные двигатели

С фазным ротором.

Особенностью конструкции является заложенный принцип работы однофазного асинхронного двигателя – у него только одна обмотка статора рабочая. А вот для пуска используется дополнительная обмотка, ее назначение – подключение к сети посредством конденсатора. Такое подключение используется для создания начального сдвига фаз и пускового момента, проще говоря, для того, чтобы вал начал вращаться.

Второй тип электрических моторов – двухфазные двигатели, имеют две рабочие обмотки. Такое техническое решение позволяет наиболее эффективно работать от однофазной сети, используя фазосдвигающий конденсатор для получения вращающегося магнитного поля.

Трехфазные асинхронники, имеют в своем составе по одной обмотке на каждую фазу подаваемого напряжения – три рабочие обмотки с соответствующим сдвигом относительно друг друга на 120 градусов. Это позволяет при включении в трехфазную сеть, получить электрическое поле, приводящее в движение короткозамкнутый ротор.

Для четвертого трехфазного асинхронника с фазным ротором, статор устроен таким же образом – три обмотки с соединением по типу звезда.

Принцип работы частотных преобразователей

Вместе со всеми положительными качествами асинхронных двигателей, существует и неприятные моменты – слишком большой пусковой ток и невозможность регулировать скорость вращения ротора.

Решить эти проблемы можно, используя частотные преобразователи.

Принцип работы такого устройства в двух словах можно описать следующим образом: с помощью электронной схемы выпрямителя, сетевое напряжение сначала сглаживается, а после, фильтруется с помощью конденсаторов.

Использование таких частотных преобразователей при пуске, позволяет избежать обратного вращения вала двигателя, и существенно сократить (до 50%) потребляемую энергию.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.

Конструкция

В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.

Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.

Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором

Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.

Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками

Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.

В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.

Принцип работы

Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.

Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:

В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы. Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.

Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: n_s=n₁–n₂, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.

s = 100% * ( n_s / n₁) = 100% * (n₁ — n₂) / n_{1 ,} где n_s – частота скольжения; n_1, n₂ – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.

С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.

Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.

Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.

Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.

Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.

Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.

Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения

При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала. Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора. Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.

Преимущества и недостатки

Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
• высокой надёжностью в эксплуатации;
• низкие эксплуатационные затраты;
• долговечностью функционирования без обслуживания;
• сравнительно высокими показателями КПД;
• невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

• высокие пусковые токи;
• чувствительность к перепадам напряжений;
• низкие коэффициенты скольжений;
• необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
• ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.