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.

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. 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.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂ Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

Фазное напряжение — разница потенциалов между началом и концом одной фазы. Другое определение для соединения «звезда»: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы «треугольник» отсутствует нейтраль).

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

Звезда	Треугольник	Обозначение
		Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В,
		Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А,
		S — полная мощность, Вт
		P — активная мощность, Вт

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
	Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	U1	U2
вторая фаза	V1	V2
третья фаза	W1	W2
Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
первая фаза	U
вторая фаза	V
третья фаза	W
точка звезды (нулевая точка)	N
Соединение в треугольник (число выводов 3)
первый вывод	U
второй вывод	V
третий вывод	W

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
	Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	C1	C4
вторая фаза	C2	C5
третья фаза	C3	C6
Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
первая фаза	C1
вторая фаза	C2
третья фаза	C3
нулевая точка	0
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	C1
второй вывод	C2
третий вывод	C3

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

• ,где C_раб — емкость рабочего конденсатора, мкФ,
• I_ном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного двигателя, А,
• U₁ – напряжение однофазной сети, В.

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение от устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.
FU1-FU9 — плавкие предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 — асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;
• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Использование частотного преобразователя позволяет:
• уменьшить энергопротребление электродвигателя;
• управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
• полеориентированное управление по датчику;
• полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Фазный ротор

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
	Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	K1	K2
вторая фаза	L1	L2
третья фаза	M1	M2
Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
первая фаза	K
вторая фаза	L
третья фаза	M
точка звезды (нулевая точка)	Q
Соединение в треугольник (число выводов 3)
первый вывод	K
второй вывод	L
третий вывод	M

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
первая фаза	Р1
вторая фаза	Р2
третья фаза	Р3
нулевая точка	0
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	Р1
второй вывод	Р2
третий вывод	Р3

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.