Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели. Конструкция, принцип действия

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором , и вращающуюся часть, называемую ротором . В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 4.

Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n₂ в направлении вращения поля статора.

Рис. 4

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n1. В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке. Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки. Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 4.

Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n₂ меньше частоты вращения поля статора n₁.
Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.

. (2)

Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом М_эм = М₂.
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение двигателя с отановленным ротором равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания .
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n₂ приблизительно равна синхронной частоте n₁. Скольжение ненагруженного двигателя S

0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n₂ > n₁. Скольжение асинхронного генератора .
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f₁ и числом пар полюсов статора. При частоте f₁ = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.

Из формулы (1) получим

(3)

Скорость поля статора относительно ротора называется скоростью скольжения.

.

Частота тока и ЭДС в роторной обмотке

,

. (4)

Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е₁ и Е_2к.

; ,

где Ф_m — максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
статорной и роторной обмотками;
W₁ и W₂ — числа витков статорной и роторной обмоток;
f₁ — частота напряжения в сети;
K₀₁ и K₀₂ — обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки. Этот факт учитывается введением в формулы, определяющие величины электродвижущих сил обмоток, обмоточных коэффициентов. Величины обмоточных коэффициентов несколько меньше единицы.
ЭДС в обмотке вращающегося ротора

(5)

Ток ротора работающей машины

где R₂ — активное сопротивление роторной обмотки;
х₂ — индуктивное сопротивление роторной обмотки.

где х_2к— индуктивное сопротивление заторможенного ротора.

конструктив асинхронного двигателя вентилятора

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока

Двигатели электрические выпускают синхронные, асинхронные, коллекторные, каждому присущи особенности работы. Минус большой: сеть интернет дает скудные представления о различиях в работе, принципе действия. Можем читать обзоры про синхронные электродвигатели, не понять в итоге главного: нюансов! Почему на ГЭС используются такие генераторы, в быту моторов-зеркал не видно (двигатель переменного тока обратим)?

Электрические двигатели: разновидности

Сразу скажем, не ставили целью довести вниманию читателей исчерпывающую информацию по указанной теме. Невозможно объять необъятное. Будут рассматриваться случаи, опущенные литературой. Информация вроде выложен, систематизировать издателям недосуг. Поможем понять, как функционируют виды электродвигателей. Начнем простым перечислением.

Двигатель коллекторного типа

Коллекторные двигатели

Часто путают с синхронными. Обнаруживаются угольные щетки. Этим сходство ограничивается, частота вращения коллекторных двигателей меняется в широких пределах, каждый может лицезреть на примере стиральной машины. Управление скоростью осуществляется путем коммутации обмоток, подстройкой значения действующего напряжения (изменяется угол отсечки вольтажа промышленной частоты).

Главным отличием устройств является наличие коллектора. Своеобразная секционная конструкция, насаженная на вал. Составлена множеством катушек, равномерно идущих кругом. Коллектор обеспечивает последовательную коммутацию, чтобы поле постепенно двигалось вкруг вала. Цепляясь за статор, ротор начинает движение.

К недостаткам коллекторных двигателей причисляют хрупкость (для промышленности). В быту тип устройств доминирующие. Простым путем осуществляется регулировка скорости (отсечкой части периода синусоиды). Коллекторных двигателей видим другие минусы/плюсы, упоминали ранее, сейчас изучим особенности. Наличие на валу секционированного барабана.

Можно поставить вместо него магнит, вращать поле статора? Да, получим синхронный двигатель (типичный пример – помпы стиральных машин). Можно питать обмотку постоянным током, вращать поле статора? Да, будет синхронный двигатель. Видите, коллектор однозначно дает понять тип устройства.

Асинхронные двигатели

Чаще применяются промышленностью. Получаем простоту конструкции, кучу плюшек. Ударопрочность, вибропрочность: отсутствие угольных щеток. Взамен получается кипа конструкций. Семейство самое многочисленное.

Во-первых, ротор. Может быть короткозамкнутым, фазным. Первое означает: на вал насажена конструкция (для уменьшения веса силуминовая), где вставлены прожилки меди. Закорочено периметром двумя кольцами. Получается барабан, иногда называемый беличьей клеткой.

Возникает поле под действием вращающейся ЭДС статора, в отличие от коллекторных запуск асинхронных двигателей постоянным током не производят. Вторичное отличие. Первичное назвали: к ротору не подходят контакты (исключая пусковой реостат), вал увенчан беличьей клеткой, вывод о принадлежности однозначный. Что касается фазных асинхронных машин, питание катушек ротора производится через токосъемные кольца. Вал подхватывается, постепенно набирает обороты.

Синхронные двигатели

Тип устройств, составить понятие о котором, согласно заметкам сети попросту невозможно. Отличие простое: поле настолько сильное, что захватывается без проблем, не проскальзывает, как в случае с асинхронными или (в меньшей степени) коллекторными двигателями. Обеспечивается постоянным магнитом чаще, либо обмотка возбуждения находится на роторе. Статор снабжается переменным напряжением нужной частоты.

Скорость вращения зависит от частоты сети питания. Полюсов только два, поэтому составляет 25 Гц (1500 об/мин). Черта, по которой можно предположить: видим синхронный двигатель – кратное, целое число. Ключевым является совпадение скорости вращения вала и частоты напряжения питания. Многое зависит от количества полюсов. Например, на ГЭС генераторы работают на частоте вала 1-2 Гц, промышленные 50 Гц получаются путем намотки многочисленных катушек статора, соединенных параллельно.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

• Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
• Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
• Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
• Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

• Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
  1. Регулирование частоты напряжения питания.
  2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
• Для машин с фазным ротором допускается:
  1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
  2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
  3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель асинхронного типа

Работа синхронных двигателей

Проходились по коллекторным двигателям – рассказывали, как конструировать – поэтому пропускаем сегодня семейство. Бессильны иначе рассказать вещи гораздо интереснее: ведется много споров на форумах. Собираемся рассмотреть не совсем синхронные двигатели – генератор. Наподобие украшающих ГЭС.

Вы никогда не задумывались, как регулируется скорость вращения турбины, когда на лопасть падает поток воды? Створками направляющего аппарата? Нет. Генератор требует подпитки не только постоянным током, но и переменным. Первое подаётся на ротор, а второе – на статор. В результате вал не мог бы даже стронуться с места, но ему помогает вода. А вот энергия торможения потока уже преобразуется в ЭДС рабочих катушек статора, намотанных рядом со вспомогательными.

Фактически имеем на руках устройство электродвигателя переменного тока, среди обмоток большая часть генерирующих, снимается частота 50 Гц. Синхронность обеспечивается питающими напряжениями. Если вода слишком напирает, ток возбуждения растет, срыв оборотов предотвращается. Параллельно увеличивается выходная мощность электростанции. Частота определяет характеристики снимаемого напряжения, касательно номинала 50 Гц не допускаются отклонения более долей процента (0,1%).

Вал вращается со скоростью 1-2 оборота в секунду. Многочисленными генераторными обмотками, соединенными параллельно образует нужную форму синусоиды. Подчеркиваем, частота поддерживается напряжением возбуждения, следовательно, именно к нему и предъявляются повышенные требования. Требуется получить больше мощности электростанции, просто заслонки направляющего аппарата приоткрываются, масса воды начинает падать вниз. Лопасть быстрее не двигается, увеличивается ток возбуждения, закономерно вызывает возникновение более сильных полей.

Принцип действия электродвигателя переменного тока копирует сказанное, отсутствуют генераторные обмотки. Требуется получить больше мощности – увеличьте напряжение возбуждения, амплитуду по цепи питания. Усиливается сцепление полей, исключая проскальзывание. Понятно, большая масса вала неспособна набрать за мгновение 50 Гц (и не набирает), оборудование, изготовленное правильно, за короткий период достигает режима. Скорость зависит от количества полюсов.

Не успели сегодня рассмотреть технические характеристики электродвигателей переменного тока, многократно делали прежде, применительно к различного рода устройствам. Полагаем, в будущем обзоры могут вновь повернуться к теме бушпритом.

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Термин «асинхронный двигатель» относится ко всем электрическим машинам-преобразователям энергии переменного тока в механическую с частотой вращения ротора меньшей, чем у магнитного поля статора.

Данная группа является самой распространенной, ориентировочно до 90% всех выпускаемых бытовых и промышленных электродвигателей являются асинхронными.

Конструктивно эти устройства состоят из:

1. Статора – неподвижного цилиндра, собираемого из тонких изолированных стальных пластин (реже – монолитного исполнения) с пазами для обмоточного провода, сдвинутыми по оси на 120 о .

2. Подвижного ротора (короткозамкнутого или фазного).

3. Деталей, обеспечивающих вращение и безопасную работу электродвигателя (вала, подшипников, подшипниковых щитов, станины с лапами, крыльчатки и кожуха вентилятора, коробки выводов).

В отличие от синхронных двигателей данные устройства не имеют вспомогательной обмотки на роторе для выработки постоянного э/м поля, что отрицательно сказывается на пусковых характеристиках, но положительно – на надежности и себестоимости.

Принцип их действия основан на создании в активных частях магнитных полей с разной частотой вращения, а именно с отклонением поля движущегося сердечника в меньшую сторону.

Для понимания данного принципа стоит рассмотреть работу асинхронного двигателя пошагово:

1. При подаче переменного напряжения на фазы статора возникает магнитный поток, смещение на 120° обеспечивает его неизменное вращение.

2. При пересечении с контуром сердечника индуцируется ЭДС и вырабатывается переменный ток.

3. Смещение создает крутящий момент, запускающий двигающиеся части машины, поле ротора стремится за потоком статора.

4. По мере приближения частот э/м процессы затухают, крутящий момент стремится к 0.

5. М.п. статора вновь пересекаются с контуром начинающего отставать движущегося сердечника и снова индуцируют ЭДС.

В итоге, работу асинхронного двигателя обеспечивает именно взаимодействие м.п. и возникающих токов и отставание м.п. движущегося сердечника. Разницу отставания в процентном соотношении показывает характеристика скольжения.

В начале работы она равна 1, в номинальном режиме у стандартных устройств варьируется в пределах 1-8%, в холостом – достигает минимума. По мере роста нагрузки и статистического момента скольжение достигает критического значения.

ОДНОФАЗНЫЕ И ТРЕХФАЗНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В зависимости от числа питающих фаз и исполнения обмотки все асинхронные устройства разделяются на:

1. Двигатели, запитывающиеся от однофазной сети переменного тока, с одной основной рабочей обмоткой и дополнительной пусковой.

Принцип их действия основан на создании пульсирующего (меняющегося по величине, но неподвижного) э/м поля основной обмоткой и придании ему вращения – дополнительной, подключаемой через пусковые конденсаторы разного типа.

Однофазные асинхронные двигатели имеют простое устройство, не по получили широкого распространения из-за малого или отсутствующего пускового момента и крайне низкого КПД.

2. Трехфазные асинхронные электродвигатели, характеризующиеся высокой мощностью и работающие от сети 380 В при подключении концов обмотки по схеме «звезда» (рекомендовано при больших нагрузках) или от «треугольник».

При работе в однофазном режиме устройства теряют часть мощности и запускаются через фазосдвигающую цепь. Частота вращения вала при их работе зависит от количества обмоток и обратно пропорциональна числу полюсов.

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Отличительной особенностью этого устройства является усложненное исполнение ротора – в виде сердечника с трехфазной обмоткой, как правило соединяемой по схеме «звезда» с выводом на три кольцевых контакта на валу.

Последние изготавливаются из латуни или стали, изолируются друг от друга и подключаются с помощью двух пружинных щеток к внешней регулирующей цепи. Последняя включается в работу только в режиме пуска и состоит из ступенчатого реостата, дросселей индуктивности и в ряде моделей – источников постоянного тока и инверторов.

Принцип их работы остается прежним – по мере протекания напряжения в неподвижной части формируются магнитное поле, смещение фаз в пространстве и времени придает ему вращение, индуцируя в сердечнике ЭДС, приводящее в движение вал.

Наличие регулирующей цепи позволяет снизить пусковые токи (тем самым увеличивая момент), автоматизировать работу при старте и быстро корректировать показатели при перегрузках.

По мере роста числа оборотов двигателя сопротивление реостата уменьшается, а после выхода на рабочий режим специальное устройство размыкает кольца, обмотка сердечника закорачивается. При таком принципе действия достигается плавный пуск и стабильная работа устройства под нагрузкой, снижаются потери на щетках и сохраняется их целостность.

Но несмотря на явные преимущества и хорошие пускорегулировочные характеристики эта группа асинхронных э/д имеет относительно узкую сферу применения.

Добавление щеточного узла и сложной регулировочной цепи отрицательно сказывается на габаритах, весе, надежности и себестоимости. В частности, стоимость таких устройств как минимум в 1,5 раза выше в сравнении с короткозамкнутыми, имеющих более простые принцип действия и конструкцию.

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Конструктивное отличие э/д этой группы – наличие обмотки сердечника в форме «беличьего колеса» из стержней, накоротко замкнутых двумя торцевыми кольцами.

В устройствах малой и средней мощности ее получают путем заливки расплавом алюминия сердечника из тонких листов стали с одновременным формированием охлаждающих лопастей и колец, высокой – привариванием колец к медным (реже – латунным) стержням.

Сердечники активных частей имеют зубчатую структуру и не нуждаются в дополнительной изоляции поверхностей из-за отсутствия контактирующих частей.

Принцип работы таких устройств действительно схож с раскруткой «беличьего колеса» — вращающееся магнитное поле неподвижной части приводит во вращение стержни сердечника, имеющие всегда разное значение индуцируемых токов.

Смещение стержней в свою очередь меняет эту величину одновременно на всех полюсах и парах, продолжая их вращение. В итоге работа двигателя прекращается лишь при отсутствии напряжения на обмотке статора.

Раньше эту проблему решали путем добавления в конструкцию стержней с разной удельной проводимостью, чуть позже – изменением формы и сечения пазов.

В настоящее время этот недостаток асинхроников устраняют путем ввода в схему частотных преобразователей.

Преимущества (малая инерционность, низкая себестоимость, простота подключения, надежность и долговечность) в любом случае преобладают, двигатели этой группы являются самыми распространенными и универсальными.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

«Устройство и принцип действия асинхронного двигателя»
план-конспект урока на тему

занятие по дисциплине «Электрические машины и аппараты»

Скачать:

Предварительный просмотр:

Занятие №16 8.10.2015

1. Тема занятия — «Устройство и принцип действия асинхронного двигателя»
2. Название дисциплины – Электрические машины и аппараты
3. Учебник – Кацман М.М. Электрические машины:учебник для студ. учреждений сред. проф. образования — М.: Издательский центр«Академия», 2014. -496с.
4. Вид урока — комбинированный
5. Тип урока — освоение новых знаний
6. Цель урока: организация условий достижения обучающимися образовательных результатов по теме: «Устройство и принцип действия асинхронного двигателя»
7. Проблемы, решаемые обучающимися – освоение устройства и принципа действия асинхронных двигателей, правильного выбора схем включения обмоток статора, изучение режимов работы асинхронного двигателя.
8. Планируемые результаты:

знать: устройство и принцип работы асинхронного двигателя, схемы включения статорной обмотки, режимы работы асинхронного двигателя

уметь: применять изученный материал на практике.

регулятивные УУД: способность к самостоятельному приобретению новых знаний, умение ставить цели, оценивать результаты выполненной деятельности.

познавательные УУД: умение анализировать, сравнивать, выделять главное, доказывать, устанавливать причинно-следственные связи, делать выводы.

коммуникативные УУД: умение работать в группе, представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, осуществлять сотрудничество со сверстниками.

Личностные результаты: положительное отношение к учению, к познавательной деятельности, желание приобретать новые знания и умения, применять на практике знания, полученные на занятиях по электрическим машинам.

1. Оборудование:

• компьютер, телевизор, раздаточный материал, доска;
• библиотека учебной, справочно-информационной и научно-популярной литературы;

1. Технологии:

личностно-ориентированная технология, ИКТ

Методы формирования новых знаний:

объяснительно-иллюстративный, эвристическая беседа

Методы организации деятельности обучающихся:

Методы самостоятельной работы:

решение проблемных задач, построенных на основе усвоенных знаний и умений;

Методы формирования личностных результатов: беседа.

Формы работы обучающихся: исследовательская, групповая.

Примерное планирование учебного времени

1 Организационный этап 10 мин

2. Актуализация знаний 10 мин

3. Освоение новых знаний 35мин

4. Первичная проверка понимания изученного материала 5мин

5. Самостоятельная работа 20мин

6. Доклад Применение АД в электромобилях 5мин