Какое явление положено в основу работы трехфазного асинхронного электродвигателя

Обновлено: 04.03.2024

В статье рассмотрим, почему наиболее популярен именно асинхронный двигатель в исполнении с короткозамкнутым ротором. Изучим положительные и отрицательные качества конструкции. Также расскажем о распространенных поломках и способах их выявления.

Современное электроснабжение осуществляется посредством сетей переменного тока. Оборудование и электроприборы производятся в соответствующем исполнении. К ним можно отнести и асинхронные трехфазные двигатели. Есть несколько разновидностей таких моторов, однако наиболее широко применяется вариация с короткозамкнутым ротором (обычая или реверсивная), о которой и пойдет речь в данной статье. Причина такой популярности в простоте конструкции и малой себестоимости производства.

Конструктивные особенности

Основными элементами электродвигателя любого назначения являются статор и ротор. Для защиты от контактов с окружающими объектами система с обмотками закрывается в прочный кожух. Предотвратить перегрев обмоток позволяет дополнение в виде установленного на роторном валу охлаждающего вентилятора.


Статор асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором имеет стандартное для электродвигателей строение. Исполнение, рассчитанное на работы с обмотками на три фазы, подразумевает расположение сердечников под углом в 120 о . Обмотки выполняют из медной проволоки подходящего сечения, изолированной. Подключение обмоток производится в звезду или треугольник (оно описано в отдельных статьях). Статорный магнитопровод жестко фиксируют к стенкам корпуса.

Роторная часть имеет внешний вид, похожий на небольшую цилиндрическую клетку. Парные кольца исполняют роль короткозамыкающего элемента для стержней, изготовленных из алюминия. Если рассматривать конструкцию высокой мощности, для нее стержневые части конструкции могут изготавливаться из меди. Причиной использования данного материала служит его низкое сопротивление. Однако есть и минусы – медь для обмотки стоит дороже алюминия и быстрее плавится при нагреве сердечника вихревыми токами.

Расположение стержней при сборке выполняется поверх сердечников из специальной трансформаторной стали. Монтаж производят на валу агрегата, провод обмотки впрессовывается в специальные пазы магнитопровода. Простота изготовления повышается тем, что в таком исполнении для магнитопроводных пластин не требуется изоляция. Это – один из главных факторов, сделавших асинхронный агрегат короткозамкнутого типа самым популярным (его доля в общей массе электромоторов достигает 90%).

Разновидности по количеству фаз


В зависимости от исполнения и способа подключения конструкции для короткозамкнутого вида делят на 3 типа, каждый из которых имеет свои особенности:

  1. Однофазные. Применяется единственная рабочая обмотка. Запуск производится посредством катушки индуктивности, на короткий период подключаемой к сети через конденсатор. Также возможен вариант короткого замыкания. Конструкция рассчитана на малую мощность, и широко применяется в бытовых приборах.
  2. Двухфазные. Статорная конструкция использует 2 обмотки, расположенные перпендикулярно относительно друг друга. Подача переменного напряжения при этом производится на каждую из них. Основное направление применения – однофазные сети. Для корректной работы в таких условиях напрямую к фазе подключается только одна из обмоток. Вторая запитывается посредством фазосдвигающего конденсатора. Данный элемент является обязательным, поскольку без его добавления в схему вращение вала не начнется. В силу такой особенности двухфазные асинхронные двигатели иногда называют конденсаторными.
  3. Трехфазные. Конструкция подразумевает 3 обмотки. Могут производиться с разными системами пуска, однако в любой конструкции отличаются повышенной стабильностью работы при номинальной нагрузке. Имеют самые высокие пусковые характеристики.

Количество и расположение обмоток выбирают в зависимости от типа сети и уровня нагрузок, которые придутся на мотор.

Различия между короткозамкнутым и фазным ротором

Система такого мотора построена на основе трех обмоток статора, формирующих разное количество магнитных полюсов (в зависимости от конструкции, выбранной в процессе проектирования). Объем полюсов на обмотках оказывает влияние на номинальный режим работы. Роторная система же может быть выполнена в 2 вариантах – короткозамкнутом и фазном.

Короткозамкнутый ротор


При помещении в движущееся магнитное поле статора, замкнутый виток проводника начнет индуцировать ЭДС, вследствие чего будет вырабатываться ток. Из-за этого замкнутый контур начинает подвергаться воздействию сил Ампера, поворачиваясь в том же направлении, что и у магнитных полей статора.

В этом заключается основной принцип работы короткозамкнутого электродвигателя. Вместо замкнутого контура в конструкции применяется набор стержней из меди или алюминия, замкнутых накоротко кольцами. Переменное напряжение при прохождении по статорным обмоткам создает вращающееся магнитное поле. На замкнутых контурах роторной конструкции появляется ток, и вся система приходит в движение. Вращение происходит за счет разной величины индуцируемого тока на парах стержней, что постоянно меняется в зависимости от расположения парных элементов относительно магнитного поля.

Фазный ротор


Асинхронные модели с фазным ротором конструктивно имеют полноценную обмотку. В роторной конструкции предусмотрены специальные пазы, в которых укладываются провода. Выводы от обмотки подключены к контактным кольцам, которые расположены на валу. При этом поверхности данных элементов изолированы друг от друга и от вала. Конструкция обмотки составлена 3 частями, каждая из которых отвечает за отдельную фазу. Наиболее распространенным способом подключения является звезда. Фазные системы более сложны, чем короткозамкнутые и имеют большую себестоимость. Однако они предоставляют больше возможностей по регулировке рабочего момента на валу.

Статорная обмотка в фазном электродвигателе представляет собой аналог ротора на короткозамкнутой конструкции. Она создает разное количество парных полюсов, объем которых зависит от набора катушек, сдвинутых относительно друг друга на определенную величину (120 о , 60 о , 40 о и т.д.). Регулировка рабочего момента осуществляется посредством управления напряжением на обмотках.

Скольжение S

Параметр скольжения есть во всех асинхронных силовых агрегатах. Возникает данное явление из-за разницы в частоте вращения магнитного поля статора и ротора. Индуцируемая в стержнях ЭДС может появляться только при их движении относительно магнитного поля. Ротор при этом немного отстает.

Если скорости вращения одинаковы, в стержнях клетки не индуцируется ток, что делает невозможным дальнейшее движение. Поэтому в любом исполнении и рабочей нагрузке ротор движется с немного меньшей скоростью, чем магнитное поле.

Измерение скольжения производится в процентах. На холостом ходу данный показатель стремится к 0. При застопоренном роторе (КЗ) параметр равен 1. В асинхронной системе с короткозамкнутым ротором параметр скольжения зависит от нагрузки.

Пусковой ток

Прямой пуск мотора характеризуется значительно большим уровнем тока, чем при его стабильной работе. Пусковой показатель может превышать номинал в 5-8 раз. При этом номинальный ток всегда указывается производителем на шильдике двигателя, тогда как пусковой описан только в технической документации. В характеристиках этот параметр указан как отношение пускового тока к номинальному.

Как вычислить пусковое напряжение?


Есть несколько способов произвести расчет пускового тока для асинхронного двигателя. Эти варианты пригодятся в том случае, если величина соотношения не указана в технической документации или сопровождающие бумаги были утеряны:

  1. Осциллограф. Проверка показаний производится в момент пуска посредством резисторного шунта. Действующее напряжение вычисляют из максимального амплитудного значения, после чего, используя закон Ома, определяют пусковой ток. Преимущество такого способа в получении конкретных данных по определенному двигателю.
  2. Пониженное напряжение. В таком варианте на двигатель подается сниженное в 5-10 раз напряжение и производится замер. После пересчета получается пусковой ток. Причем замеры достаточно произвести для 1 фазы. На остальных пусковые показатели должны быть аналогичными. Данный способ применяется на производстве для получения данных, отображаемых в таблице. Основанием служит номинальный ток, поэтому в каждом отдельном случае пусковой показатель может быть другим.
  3. Токоизмерительные клещи. Простой и быстрый метод. Наиболее точные показания получаются при замере на системах с длительным пуском и высокой инерцией. Например, это могут быть вентиляторы или двигатели с массивной крыльчаткой.
  4. Трансформатор. Способ, применяемый в узлах учета электроэнергии. Используя трансформатор, не нужно измерять реальный ток, достаточно получить его величину, уменьшенную в определенное количество раз. Существенным минусом метода является то, что трансформатор рассчитан на частотный диапазон в 50-60 Гц, тогда как пусковые переходные процессы могут иметь более широкий спектр и гармоники.

Важно помнить, что, в силу определенных факторов, заявленный производителем пусковой ток будет иметь большую кратность, чем его реальное значение.

Как уменьшить напряжение при пуске асинхронного мотора


Большое пусковое усилие часто становится проблемой, вызывая перегрузки питающей сети, перегрев, ускоренный износ двигателя. Поэтому необходимо иметь возможность понизить его величину для сохранения работоспособности и долговечности систем. Есть несколько способов:

  1. Плавный пуск. В таком варианте на двигатель подается сначала пониженное напряжение с постепенным повышением до номинала. Для реализации метода используются УПП (устройства плавного пуска) или частотные преобразователи.
  2. Ограничители. В таком исполнении в качестве ограничивающего элемента при пуске применяются резисторы с высокими показателями сопротивления. После срабатывания таймера производится переключение двигателя на номинальное значение. Для сборки такого пускового устройства достаточно использовать контактор и реле времени, поэтому сделать его можно самостоятельно.
  3. Звезда-треугольник. Особый способ подключения обмоток, который позволяет сразу использовать полное напряжение на прямой пуск и реверс, однако выводить магнитное поле двигателя на номинальную мощность постепенно. Такой подход помогает сохранить рабочие характеристики агрегата. Чертеж подобного подключения можно найти в интернете.

Есть также варианты запуска и раскручивания асинхронного реверсивного двигателя вхолостую. Нагрузка подключается только после достижения достаточных оборотов. В таком исполнении могут применяться вариаторы, муфты, коробки передач. При необходимости реализовать быструю остановку, можно использовать динамическое торможение, для чего на обмотки статора подается постоянное напряжение.

Преимущества и недостатки короткозамкнутой разновидности

Высокая популярность и широкое распространение таких конструкций электродвигателя обусловлено его преимуществами:

  • высокая стабильность работы при номинальной нагрузке;
  • надежность и долговечность;
  • простое обслуживание асинхронного мотора, низкие затраты на эксплуатацию;
  • малая стоимость относительно других моделей;
  • высокие показатели КПД двигателя.

При правильной эксплуатации такой агрегат прослужит долгое время, не требуя частого обслуживания.

Однако есть у системы и свои недостатки:

  • высокий пусковой уровень напряжения;
  • низкий коэффициент скольжения;
  • повышенная реакция на перепады напряжения;
  • необходимость применения дополнительного оборудования для безопасного пуска асинхронного агрегата (УПП, частотники);
  • потребность во внешних управляющих узлах для регулировки скорости вращения.

Несмотря на свои недостатки, агрегаты асинхронного типа с короткозамкнутым ротором являются наиболее практичными и популярными в производстве и быту.

Возможные неисправности


Несмотря на простоту и надежность асинхронного двигателя, при неправильной эксплуатации и неблагоприятных внешних условиях они могут потерять рабочие характеристики или выйти из строя. Любые неисправности мелкого или серьезного характера можно разделить на 2 группы – электрические и механические.

Механические поломки

Эти повреждения часто заметны при внешнем осмотре или на слух в процессе работы электродвигателя:

  • дефекты корпуса, крыльчатки;
  • ослабленная фиксация обмоток;
  • деформация вала.

Также частой проблемой является износ подшипников. Для своевременного выявления поломки необходимо проявлять внимание к внешним признакам. Изношенные элементы способствуют появлению вибраций, перегреву агрегата. Также определить неисправность можно акустическим способом – по повышению уровня шума при включении питания.

Электрические неполадки

Среди поломок электрического происхождения чаще всего проявляются:

  • межвитковые замыкания;
  • повреждение обмотки;
  • пробой изоляции на корпус;
  • потеря сопротивления изолирующего материала, повреждение его целостности;
  • износ щеток в процессе длительной работы;
  • поломка контактных колец.

Для выявления таких проблем понадобится произвести замеры с помощью мультиметра и мегаомметра.

Проводя исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутого исполнения измерительными приборами, можно проверить целостность обмоток, наличие всех фаз, уровень поступающего в него напряжения.


С помощью мегаомметра производится замер уровня сопротивления изоляции обмоток. Данный прибор выполняет измерение в условиях подачи повышенного напряжения. При снижении показателя ниже нормы (оно должно быть не ниже 0,5 МОм) необходимо принимать меры. Если он не равен нулю, можно поставить агрегат на просушку. Для этого вместо роторной части внутрь корпуса вставляют мощную лампу накаливания. Если после просушки обмоток показатель сопротивления не повысился, поломка определяется как короткое замыкание. Выявить его точное место можно при помощи омметра, по очереди, замерив сопротивление всех обмоток. Различия между показаниями для обмоток должны быть минимальными, допустимая разница – не больше 2%.

При правильном использовании и постоянном контроле исправности, не придется часто проводить исследование асинхронного агрегата с короткозамкнутого типа на предмет повреждений и выполнять ремонт. Конструкция отличается высокой надежностью и способна долгое время работать без существенного технического обслуживания. Это, в свою очередь, снижает общие эксплуатационные затраты. С учетом низкой общей себестоимости (относительно других вариаций), оно делает электродвигатели с ротором короткозамкнутого типа наиболее практичными и простыми для использования.

Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.

асинхронный трехфазный двигатель

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

  1. Корпус. Служит для скрепления всех деталей мотора. Для двигателей небольшого размера, как правило, используют цельные литые корпусы из чугуна, стальных и алюминиевых сплавов.
  2. Сердечник или магнитопроводник. Собирается из пластин, для изготовления которых применяют специальную электрическую сталь. Запрессовывается в корпус и улучшает магнитно-индукционные качества машины. Каждая пластина сердечника покрывается особым лаком, позволяющим уменьшить потери при возникновении вихревых токов. В некоторых случаях устройство асинхронного двигателя предусматривает установку корпуса-сердечника, совмещающего в себе обе функции.
  3. Обмотки. Устанавливаются в пазы сердечника. Представляет собой три катушки из меднопроволочных секций, расположенные под углом в 120˚ относительно друг друга. Называется первичной, потому что подключается к сети напрямую.

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

  1. Массивный ротор – единая схема из прочного ферромагнитного соединения. Внутри неё индуцируются токи, и она же выполняет в конструкции роль магнитопровода.
  2. Короткозамкнутый ротор (изобретён великим русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, как и весь трёхфазный ток) – система соединенных с помощью колец проводников, похожая по внешнему виду на беличье колесо. Внутри него индуцируются токи, чье электромагнитное поле вступает во взаимодействие с магнитным полем статора, в результате чего ротор приводится в движение.

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.

(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Схемы подключения

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

схема подключения

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

схема подключения

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Асинхронный двигатель, треугольник в сборе

Асинхронный двигатель, звезда в сборе

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

  • В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
  • Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
  • Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

  • Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
  • Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
  • Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

И выразить из нее скорость вращения ротора:

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

скорость вращения

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

 величина скольжения электродвигателя составляет

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

В какой бы сфере не участвовал человек, повсюду применяются электрические моторы. Сегодня изделия задействованы как в промышленности, так и в быту. Механизмы несут массу положительных качеств: простота, надёжность, долговечность, экологическая чистота. Характеристики дают моторам охватывать большее количество незанятых ниш, изделия уже вплотную используются в автомобилестроении.

Среди разновидностей, по количеству произведённых электрических машин, асинхронный двигатель занимает первое место. Относительная дешевизна и универсальность мотора при эксплуатации стали решающим фактором, повлиявшим на массовость выпуска. Перспективы развития агрегатов увеличиваются, поскольку сегодня нет, чище способа получить механическую работу, чем использовать электричество. В реалиях, целесообразность экологических аспектов растёт с каждым годом в геометрической прогрессии, поэтому рассмотрим установку детально.

Асинхронный двигатель в разрезе:

Асинхронный двигатель

История асинхронного двигателя

Начало развития асинхронных двигателей было положено в 88 году девятнадцатого века, когда итальянский электротехник Галилео Феррарис опубликовал в Турине статью о теоретических основах асинхронного электродвигателя. Ошибочные выводы итальянца о небольшом коэффициенте полезного действия асинхронных двигателей вызвало большой интерес среди других инженеров. Силы большинства учёных направлены на усовершенствование изделия.

Итальянский электротехник Галилео Феррарис (1847-1897 года жизни):

Галилео Феррарис

После того, как в том же году статью перепечатал английский журнал, её прочитал выпускник Дармштадтского технического училища, М.О. Доливо-Добровольский. Через год, талантливый выходец из Российской Империи получил патент на трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Русский электротехник Доливо-Добровольский (1862-1919 года жизни):

Труды изобретателя положили начало массовому применению электрических двигателей. Так, в Новороссийске в третьем году двадцатого века, под руководством учёного, построен первый в мире элеватор, использовавший промышленную сеть переменного трёхфазного тока с трёхфазными трансформаторами и синхронными двигателями с фазным ротором. Сегодня, трёхфазный асинхронный двигатель Добровольского, самая распространённая электрическая машина.

Устройство асинхронного двигателя

Назначение асинхронного двигателя, это преобразование энергии электричества в механическую работу. Выполнить эту задачу установке помогают две детали: статор и ротор.

Статор и ротор асинхронного двигателя:

Статор и ротор

Фазное напряжение, соответствует разности потенциалов между началом и концом одной фазы, или разница потенциалов между линейным и нейтральным проводом.
Линейное напряжение, разность потенциалов между двумя линейными проводами (фазами)

Iл, Iф – ток (линейный и фазовый), А;

;

;

;

;

Схемы подключений

В зависимости от конструкции ротора, асинхронный двигатель условно делят на виды: короткозамкнутый ротор, фазный ротор. Статор обоих механизмов одинаков, отличительная черта, обмотка. Сердечник ротора так же выполнен из электротехнической стали, методом комбинирования прямых и косых стыков пластин.

Составные детали двигателя размещаются в корпусе. Для небольших моторов корпус делают цельнолитым, материал изделия, чугун. Кроме того, применяют сплав алюминия, либо сталь. Некоторые корпуса в маленьких двигателях совмещают функцию сердечника, в мощных двигателях корпус выполняется из составных частей.

Поскольку асинхронный мотор относится к электрической машине, изделие применяется как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Однако, как генератор, асинхронный механизм имеет ряд недостатков, которые не позволили машине использоваться массово в этом качестве.

Тип подвижной части

Как уже упоминалось, в зависимости от того, в каком виде выполнена подвижная часть, асинхронные двигатели делят:

  • Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Наличие зубцов с низким магнитным сопротивлением, в сравнении с сопротивлением обмотки, вызывает пульсацию магнитного потока. Пульсация приводит к росту гармонических токов напряжения электродвижущей силы. Чтобы снизить это явление, а так же уменьшить шум, пазы ротора или статора делают скошенными.

Недостаток короткозамкнутого ротора в том, что пусковой момент двигателя этой конструкции небольшой, наряду со значительным показателем пускового тока. Применение этих моторов целесообразно в случаях, если не требуются большие пусковые моменты. Достоинство: простота изготовления, низкая инерция, нет контакта со статической частью, как следствие, долговечность и приемлемая стоимость обслуживания.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя:

Короткозамкнутый ротор

Фазный ротор асинхронного двигателя:

Фазный ротор

Фазный ротор двигателя при включении максимально увеличивает момент пуска и уменьшает ток, это возможно из-за применения реостата. Такие характеристики приводят в действие механизмы, для которых характерна большая нагрузка в момент пуска.

Принцип работы

  • f – частота сети в Герцах;
  • p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).

Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.

Направление силы

Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.

Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля. Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2 Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:

Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.

Принцип работы асинхронного

Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.

Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.

Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.

Подключение двигателя

Маркировка на коробке для клемм:

маркировка

Сбор схем проводится в коробке для клемм, расположенной на корпусе электродвигателя, перед выполнением работ, коробку разбирают. Начало каждой обмотки именуется U1, V1, W1 соответственно. Концы обмоток подписываются так же U2, V2, W2. При отсутствии в коробке для клемм маркировки выводов, начало и конец обмотки определяют, используя мультиметр.

Процедура выполняется следующим образом:

Надеть на провода бирки

  • Проделываем аналогичную процедуру со второй и третьей обмоткой. Выводы второй обмотки маркируем (V1, V2), выводы третьей обмотки маркируем (W1, W2).
  • Определяем вид подключения обмоток (согласованный или встречный).

Важно! Согласованное подключение создаёт электродвижущую силу, которая будет равна сумме сил обмоток. Встречное подключение даст электродвижущей силе нулевое значение, поскольку силы будут направлены друг навстречу другу.

При необходимости обратного вращения асинхронного двигателя, для этого меняют местами два провода подключаемого источника трёхфазного напряжения.

Подключение двигателя на одну фазу

Для бытовых нужд использование трёхфазного мотора проблематично, поскольку отсутствует требуемое напряжение. Решение проблемы, использовать однофазный асинхронный двигатель. Такой мотор оснащен статором, однако конструктивно изделие отличается количеством и расположением обмоток, а так же схемой их запуска.

Схема подключения однофазного двигателя:

однофазного двигателя

Так, однофазный асинхронный двигатель со статором из двух обмоток будет располагать их со смещением по окружности под углом 90°. Соединение катушек будет параллельным, одна — пусковая, вторая — рабочая. Что бы создать вращающееся магнитное поле, дополнительно вводят активное сопротивление, или конденсатор. Сопротивление создаёт сдвиг фаз токов обмотки, близкий к 90°, что помогает создать вращающее магнитное поле.

При использовании статором асинхронного двигателя одной катушки, подключение источника питания в одну фазу создаст пульсирующее магнитное поле. В обмотке ротора появится переменный ток, который создаст магнитный поток, как следствие работа двигателя не произойдёт. Для запуска такого агрегата создают дополнительный толчок, подключив конденсаторную схему пуска.

Асинхронный двигатель, рассчитанный на подключение к трёхфазному источнику питания, работает и от одной фазы. Пользователей интересует вопрос, как подключить асинхронный двигатель на 220В. Помните, что подключение снизит коэффициент полезного действия двигателя, а так же повлияет на мощность и показатели пуска. Для выполнения задачи надо из трёх обмоток статора собрать схему, сделав так, что бы обмоток было две. Одна обмотка будет рабочей, вторая используется для запуска агрегата. Как пример, предположим, что есть три катушки с начальными выходами (U1, V1, W1) и конечными выходами (U2, V2, W2). Создаём первую рабочую обмотку, объединив концы (V2, W2), а начало (V1, W1) подключаем к сети в 220В. Пусковой обмоткой будет оставшаяся катушка, которую подключают к питанию через конденсатор, соединив её с ним последовательно.

Асинхронный двигатель с двумя скоростями

Иногда необходимо изменить скорость асинхронного двигателя. Механизмы с управлением от электронного блока дорогие, поэтому применяют двухскоростной асинхронный двигатель. Принцип такого механизма в том, что обмотку в этом моторе подключают особым образом, по схеме Даландера, что меняет скорость вращения.

Схема подключения Даландера:

подключения Даландера

Трехфазный асинхронный двигатель

Электродвигатели

То, что асинхронные двигатели сегодня используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, необходимо поклониться русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Именно он в 1889 году (а точнее 8 марта) изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который преобразовывает электроэнергию в энергию механическую (вращения). Это, по сути, стало прорывом в технике и началом новой эры.

Трехфазный асинхронный двигатель

Самое главное, что электрические моторы данного типа оказались очень надежными, их производство достаточно простое, что влияет на небольшую себестоимость изделия. Плюс несложная конструкция, которая легко поддается не только производству, но и ремонту. Если обратиться к статистическим данным, то по ним можно сделать вывод, что асинхронные двигатели являются самыми производимыми в мире. На их счет приходится до 90% выпуска. Так что цифры говорят сами за себя.

Но почему эти приборы названы асинхронными? Все дело в том, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше вращения ротора. Кстати, у электродвигателей этого типа принцип работы основан именно на вращении магнитного поля.

Принцип работы двигателя

Чтобы понять, как работают электродвигатели асинхронные трехфазные, необходимо провести один несложный эксперимент. Для этого вам понадобиться обычный магнит подковообразного типа и медный стержень. При этом магнит надо хорошо закрепить к рукоятке, с помощью которой его можно крутить на одном месте вокруг своей оси. Медный стержень закрепляется в подшипниках и устанавливается в пространство между концами (полюсами) магнита-подковы. То есть, стержень оказывается как бы внутри магнита, а, точнее сказать, внутри его плоскости вращении.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Теперь надо просто вращать магнитное устройство за ручку. Лучше по часовой стрелке. Так как между полюсами есть магнитное поле, то оно также будет вращаться. При этом поле будет пересекать или рассекать своими силовыми линиями медный стержень-цилиндр. И тут включается закон электромагнитной индукции. То есть, внутри медного стержня начнут возникать вихревые токи. Они, в свою очередь, начнут образовывать свое собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с основным магнитным полем.

При этом стержень начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. И вот тут возникает один момент, который также лежит в принципе работы электродвигателя. О нем было уже упомянуто. Если скорость вращения стержня будет такое же, как у магнита, то их силовые линии пересекаться не будут. То есть, вращения не будет в виду отсутствия вихревых токов.

И еще пару нюансов:

  • Магнитное поле вращается с той же скоростью, что и сам магнит, поэтому скорость называют синхронной.
  • А вот стержень вращается с меньшей скоростью, поэтому ее и называют асинхронной. Отсюда, в принципе, название и самого электрического мотора.

Синхронные машины

Внимание! Разница скоростей вращения магнитных полей не очень большая. Эту величину называют скольжением.

Кстати, определить величину скольжения несложно, для этого необходимо воспользоваться формулой:

  • S – это величина скольжения;
  • n – скорость вращения магнита;
  • n1 – скорость вращения ротора.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.
Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Принцип работы

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% — значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

  • Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
  • Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
  • В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
  • В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором

Технические характеристики

На что обычно надо обратить внимание, выбирая электродвигатели? Технических характеристик, в принципе, немного. Это мощность, измеряемая в кВт, скорость вращения ротора в об/мин. Все остальные технические характеристики не столь важны именно для выбора. Хотя, к примеру, масса изделия может помочь рассчитать нагрузку на подставку или монтажную раму.

Заключение по теме

Итак, были рассмотрены асинхронные электродвигатели – электрическое оборудование, которое нередко используется в частных домах для бытовых нужд. Устройство и принцип работы мотора вам теперь понятно, а вот как правильно подключить двигатель к однофазной сети, читайте в другой статье.

Читайте также: