Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели, подключаемые к однофазной или трехфазной сети переменного тока, используются для привода механизмов бытовой техники и промышленного оборудования. Установленный на подшипниковых опорах ротор вращается с частотой, отличной от количества оборотов магнитного поля, создаваемого зафиксированными обмотками статора.

Что такое асинхронный двигатель

Асинхронный электродвигатель представляет собой машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Агрегат состоит из металлического немагнитного корпуса цилиндрической конфигурации, на внешней поверхности которого расположены ребра для охлаждения. Внутри кожуха находится обмотка, подключаемая к бытовой или промышленной сети переменного тока. С торцов корпус закрыт крышками, в которых предусмотрены постели для подшипниковых опор. Могут использоваться подшипники качения или скольжения с ручной или автоматической подачей масла.

Ротор, изготовленный из электротехнической стали установлен на подшипниках, обеспечивающих снижение трения и поддерживающих равномерный интервал между внешней поверхностью детали и внутренней плоскостью статора. В схеме узла предусмотрена обмотка (короткозамкнутого или фазного типа). В короткозамкнутых конструкциях отсутствуют коллектор и щетки, что увеличило надежность мотора. В фазных предусмотрено использование коллекторного узла, что позволяет повысить пусковой вращающий момент.

История создания

Теоретическая база асинхронной электрической установки была разработана в 1888 г. итальянским техником Г. Феррарисом и ученым Николой Тесла, причем специалисты вели исследования параллельно. Изначальные расчеты показали низкий КПД устройства, но российский инженер М.О. Доливо-Добровольский опроверг это предположение. Уже в 1889-90 гг. изобретатель из России получает несколько патентов на асинхронные силовые установки, а в 1903 г. в Новороссийске начинает работать элеватор с механизмами, оснащенными трехфазными асинхронными моторами.

Область применения

Основные сферы применения электромоторов асинхронного типа:

• для привода шпинделей и вспомогательных механизмов металлообрабатывающих станков;
• для обеспечения движения конвейерных лент;
• для вращения рабочих колес вентиляторов и насосов, перекачивающих воду и агрессивные жидкости;
• для передачи крутящего момента к лебедкам грузоподъемной техники;
• для привода механизмов в автоматических системах.

Типы двигателей

Основные типы двигателей асинхронного типа:

1. Мотор однофазного типа, оборудованный ротором с короткозамкнутой намоткой. В конструкции статора предусмотрена рабочая намотка для 1-й фазы, но для раскрутки вала двигателя используется пусковой элемент. Дополнительные витки провода подключаются через конденсатор или катушку индуктивности. Схема коммутации обеспечивает сдвига фаз, позволяющий провернуть стальной ротор.
2. Двигатель двухфазного или конденсаторного типа, отличающийся повышенной эффективностью при коммутации к бытовой сети переменного тока напряжением 220 В. В конструкции статора предусмотрены 2 катушки, смонтированные под углом 90°. Первичная намотка коммутируется к сети напрямую, а вторичная подсоединяется через емкость, обеспечивающую смещение фазы.
3. Агрегат трехфазного типа оборудован 3 неподвижными обмотками, установленными через 120°. После подачи напряжения формируется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее поворот вала с короткозамкнутыми витками провода. Выводы статора соединяются «звездой» или «треугольником», что допускает применение электромотора при напряжении 220 или 380 В. Изделия подобной конструкции используются в станках и грузоподъемных механизмах.
4. Трехфазная машина с фазной обмоткой оснащается подвижным ротором с сердечником с пазами, в который уложены витки медного провода. В остальных конструкциях в сердечнике находятся алюминиевые элементы. Концы проводки, соединенной «звездой» выведены на коллекторные кольца, которые изолированы от стальной оси двигателя. При помощи щеток на кольца подается переменное напряжение, обеспечивающее при пуске увеличенный крутящий момент. Устройства используются в механизмах, включаемых под нагрузкой (например, лебедки лифтов).

Существуют моторы с питанием роторных катушек при помощи несимметричного раствора щеток. В конструкции подвижного элемента установлены 2 катушки, которые подключены к внешней сети и к вторичной неподвижной намотке на статоре. Конструкция позволяет регулировать частоту вращения, но отличается повышенной сложностью и требует регулярного обслуживания.

Изделия использовались в 30-40-х гг. прошлого столетия для привода промышленного оборудования, но затем были вытеснены стандартными электродвигателями с фазными роторами.

Принцип работы

При подведении напряжения к неподвижным обмоткам трехфазного мотора асинхронного типа в фазах формируется магнитное переменное поле. Поток изменяется в соответствии с частотой подведенного тока. Поскольку в конструкции узла использованы 3 катушки, то сформированные потоки имеют смещение по времени и пространству на 120°. Итоговый индукционный поток вращается, пересекая центральный подвижный сердечник и обеспечивая наводку разницы потенциалов в коротко замкнутых проводниках, расположенных в теле ротора.

Поскольку цепи замкнуты, то электродвижущая сила формирует ток, вступающий во взаимодействие с подвижным магнитным полем от намотки статора. В результате искажения поля формируется крутящий момент, стремящийся провернуть вал в сторону движения магнитной индукции от неподвижной обмотки. Нарастающий крутящий момент преодолевает силы торможения ротора (из-за веса детали, приложенной внешней нагрузки и силы трения в подшипниковых опорах), что приводит к началу раскрутки вала двигателя.

https://youtube.com/watch?v=uXwamyaiUKo%3Frel%3D0

Устройство асинхронного двигателя

Корпус мотора отличается из серого чугуна или алюминиевого сплава, встречаются стальные конструкции сварного типа. Поскольку при прохождении тока через катушки происходит нагрев деталей, то на поверхности кожуха предусматриваются продольные ребра, обеспечивающие повышенный теплообмен. Внутренняя поверхность корпуса предназначена для установки сердечника статора, который установлен с натягом и дополнительно закреплен резьбовыми соединениями.

Сердечник собирается из деталей, полученных методом штамповки из листов электротехнической стали толщиной до 0,5 мм. Заготовки покрываются слоем специального лака, а затем соединяются в пакеты. Для фиксации элементов используются заклепки, скобы или сварка. Конструкция сердечника обеспечивает снижение вихревых токов, формирующихся при перемагничивании узла вращающимся магнитным полем. В конструкции пакета предусмотрены пазы, в которые укладываются витки провода, соединенные между собой на торцевых кромках (за пределами сердечника).

Ротор собран из элементов, отштампованных из стали (шихтованная схема), которые надеты на вал из конструкционной стали.

Элементы не имеют диэлектрического покрытия, поскольку генерируемые вихревые токи имеют небольшую частоту. Ось имеет поверхности, предназначенные для установки внутренних колец подшипников качения. Внешние концы вала нужны для установки шкивов или иных приспособлений для передачи крутящего момента. На тыловой части оси устанавливается вентилятор, обеспечивающий дополнительное охлаждение двигателя.

Процессы в асинхронной машине

Основные процессы, протекающие в электродвигателе асинхронного типа:

1. Сформированное неподвижными катушками статора индукционное поле совершает вращательное движение относительно покоящегося корпуса мотора, способствуя наведению разницы потенциалов в проводниках, установленных в роторе. Параметр зависит от количества витков провода в катушке, частоты тока и значения магнитного поля. В расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, учитывающий потери внутри катушек.
2. Фаза неподвижной катушки находится в состоянии электрического равновесия, описываемого уравнением. При расчете учитываются значения напряжения во внешней сети и на входе в обмоточный провод, также на расчет оказывает влияние активное и индуктивное сопротивления катушек и сила тока в цепи. Формирующийся магнитный поток находится в зависимости от напряжения в катушках и частоты электрического тока, но на него не влияют режимы работы или замедляющий момент, приложенный к валу электродвигателя.
3. В неподвижной роторной части частота наведенной электродвижущей силы соответствует частоте внешнего источника питания. По мере увеличения частоты вращения происходит корректировка частоты ЭДС пропорционально корректировке величины скольжения. Максимальное значение частоты достигается в момент начала вращения вала. Напряжение электродвижущей силы изменяется аналогично. Соотношение ЭДС в неподвижных катушках и в проводниках ротора называется коэффициентом трансформации.
4. Важным эксплуатационным параметром является сила тока в подвижной части, которая зависит от индуктивного и активного сопротивлений, связанных с потоком рассеяния и тепловыми потерями внутри проводников. По мере увеличения скольжения машины происходит нарастание силы тока, кривая отстает от графика изменения значения напряжения электродвижущей силы.
5. Поскольку ротор оборудован несколькими витками проводки, то при наведении тока образуется вращающееся поле. Периодичность вращения индукции от подвижных катушек равняется периодичности вращения поля неподвижных обмоток. За счет этого эффекта достигается неподвижность индукционных потоков относительно друг друга, что позволяет использовать для расчета параметров асинхронного оборудования законы и формулы, выведенные для трансформаторов.

Понятие скольжения

Скольжением асинхронного устройства называется соотношение числа оборотов магнитного поля, сформированного неподвижными катушками, к частоте вращения ротора электродвигателя.

Параметр выражается в процентном соотношении и используется при оценке эффективности работы силового привода. В момент пуска значение равно 100%, но по мере раскручивания вала параметр начинает снижаться. Одновременно уменьшаются значения электродвижущей силы и тока, наводимых в витках ротора, что ведет к падению кривой крутящего момента.

На холостом ходу (без приложения нагрузки) значение скольжения достигает минимального значения, но по мере приложения статической нагрузки параметр увеличивается (из-за замедления периодичности вращения вала электромотора). При превышении критического значения возникает эффект опрокидывания мотора, приводящий к нестабильной работе устройства. Процесс изменения скольжения прекращается при уравновешивании электромагнитного момента статора тормозным усилием, приложенным к валу машины.

Условия для получения вращающегося магнитного поля

В пособиях по теории электродвигателей указываются следующие условия для получения магнитного поля:

• применение 2 и более неподвижных обмоток;
• обеспечение смещения фаз тока в каждой из катушек;
• смещение осей катушек в пространстве.

Угол смещения зависит от количества пар полюсов. В простейшей трехфазной машине с единой парой контактов угол сдвига составляет 120°. Введение дополнительной пары полюсов обеспечивает уменьшение угла до 60°. Каждая последующая пара контактных элементов приводит к корректировке значения угла в 2 раза.

Когда возникает электромагнитный момент

Электромагнитный вращающий момент создается в результате взаимодействия тока, наведенного в подвижной части асинхронной машины, с совершающим вращательное движением магнитным полем от неподвижных катушек. Значения момента находится в пропорциональной зависимости от мощности электрических потерь в роторе. При расчете момента учитывается ряд параметров (например, напряжение в цепи питания и частота тока), которые не меняются в процессе работы электрической машины. В формуле присутствует коэффициент скольжения, оказывающий влияние на момент.

Его зависимость от скольжения

Кривая зависимости момента от коэффициента скольжения называется механической характеристикой асинхронного электродвигателя. Кривая состоит из участка генераторного режима, двигательного сектора и тормозного участка. Пик крутящего момента соответствует критическому значению скольжения, причем значение момента в режиме генератора выше аналогичного параметра в двигательном состоянии.

Пуск в ход асинхронного двигателя и регулирование частоты вращения

Методика прямого пуска используется на машинах с короткозамкнутой обмоткой ротора. При расчете оборудования обеспечивается пониженная сила тока в цепи, что позволяет избегать повышения температуры и электродинамического усилия. Способ непосредственного запуска используется на установках с низкой или средней мощностью (не требующих высокого стартового момента). Для раскрутки мощных электродвигателей методика не применяется, поскольку прямая коммутация приводит к временному падению напряжения во внешней сети на 10-15%.

Способ запуска при пониженном напряжении применяется при использовании моторов средней и высокой мощности в сетях с недостаточным ресурсом.

Стартовая обмотка переводится в схему «звезда», а после раскрутки ротора катушки в «треугольник». Допускается введение в цепи пуска сопротивлений или автоматических трансформаторов. Недостатком методики является падение значения момента (снижение прямо пропорционально квадрату напряжения на входе), пуск производится только без внешней нагрузки.

Пусковой реостат используется в цепях возбуждения устройств с фазной обмоткой на подвижном элементе. По мере увеличения частоты вращения происходит снижение сопротивления, что позволяет постепенно перевести двигатель в штатный режим работы. Способ используется при повышенной нагрузке на электромотор или при необходимости плавной регулировки частоты вращения.

Для регулировки частоты вращения применяются методики:

• изменения активного сопротивления (только для изделий с фазным ротором);
• корректировки напряжения во внешней сети;
• отключения пар полюсов;
• изменения частоты питающего тока.

Тормозные режимы

При работе асинхронной силовой машины существует 4 режима торможения. Рекуперативное замедление возможно при частоте вращения вала двигателя больше скорости вращения электромагнитного поля. Ситуация разгона вала происходит при спуске груза на лебедке, образующиеся излишки электромагнитной мощности возвращаются во внешнюю сеть. Динамическое торможение осуществляется путем подачи постоянного напряжения на неподвижные катушки, которое вызывает формирование неподвижного поля, замедляющего вращение вала.

Конденсаторное замедление осуществляется путем подключения емкостей к неподвижным обмоткам. Излишки энергии преобразуются в электричество, теряющееся в подвижном элементе двигателя. Методика применяется для установок мощностью до 5 кВт. Замедление противовключением подразумевает изменение чередования фаз, что позволяет резко остановить ротор. Магнитные потоки вращаются в противоположных направлениях, что приводит к увеличению коэффициента скольжения до значения более единицы.

https://youtube.com/watch?v=bxbqSMdPh1Y%3Frel%3D0