Устройство и принцип работы асинхронного двигателя переменного тока
Асинхронный двигатель. Устройство и принцип работы.
Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня вы узнаете, что такое асинхронный двигатель, рассмотрим его основные характеристики, а так же поговорим о плюсах и минусах.
Принцип работы любого асинхронного двигателя основан на физическом взаимодействии магнитного поля, возникающего в статоре, с током, который это же поле наводит в обмотке ротора. Электрическое напряжение прикладывается к обмотке статора, которая выполнена как три группы катушек. Под действием напряжения в обмотке возникает переменный трехфазный ток, который и наводит вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутой обмотки ротора, это поле, в соответствии с законом об электромагнитной индукции, создает в ней ток.
Взаимодействие вращающегося магнитного поля (статор) и тока (ротор) создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит ротор в движение. Благодаря совокупности моментов, создаваемых отдельными проводниками, возникает результирующий момент, электромагнитная пара сил, заставляющая вращаться ротор в направлении, в котором движется электромагнитное поле в статоре. Ротор и магнитное поле при этом вращаются с различными скоростями, т.е. асинхронно (отсюда и основное название двигателей). У асинхронных двигателей скорость, с которой будет вращаться ротор, всегда будет меньше скорости, с которой вращается магнитное поле в статоре.
Рис. 1. Асинхронный двигатель
Асинхронный двигатель с фазным ротором необходим в приводах, которые сразу требуют большого пускового момента – лифты, краны, мельницы и т.д. В таких механизмах необходимее уже при запуске двигателя получить максимальный момент, но при этом ограничив значение пускового тока.
Основные элементы асинхронного двигателя – ротор и статор, разделяемые воздушным зазором. Активные части двигателя – магнитопровод и обмотки, остальные составляющие – конструктивные, призванные обеспечить необходимую жесткость, прочность, возможность вращения и его стабильность, охлаждение и т.д.
Cтатор – неподвижная часть, на внутренней стороне сердечника которого размещаются обмотки. Обмотка статора — это трехфазная (для общего случая — многофазная) обмотка, в которой проводники равномерно распределяются по окружности статора и уложены пофазно в пазах, соблюдая угловое расстояние равное 120 эл.град. Статорные фазы обмотки соединены стандартно – «звезда» или «треугольник» — и подключены к трехфазной сети электротока. В процессе вращения (изменения) магнитного потока в обмотках возбуждения, происходит перемагничивание магнитопровода статора, поэтому он изготовлен шихтованным (набирается из пластин) из особой электротехнической стали – таким способом удается минимизировать магнитные потери.
Как это работает?
Устройство и принцип действия асинхронных двигателей, как и всех других, основаны на том, что для приведения в движение ротора используют вращение магнитного поля. Трехфазный АД является единственным типом мотора, в котором оно создается естественным образом из-за характера питания. В двигателях постоянного тока для этого используется механическая или электронная коммутация, а в однофазных АД – дополнительные электрические элементы.
Для работы электромотора необходимо наличие двух наборов электромагнитов. Принцип действия асинхронного электродвигателя состоит в том, что один набор формируется в статоре, так как к его обмотке подключается источник переменного тока. В соответствии с законом Ленца, это индуцирует в роторе электромагнитную силу (ЭДС) так же, как напряжение индуцируется во вторичной обмотке трансформатора, создавая другой набор электромагнитов. Отсюда и еще одно название АД – индукционный мотор. Устройство и принцип действия асинхронных двигателей основаны на том, что взаимодействие между магнитными полями этих электромагнитов генерирует крутящую силу. В итоге ротор вращается в направлении результирующего момента.
Как работает
Начнем с самого главного, что в электродвигателях движение ротора создается за счет вращающегося магнитного поля, которое, в свою очередь, образуется за счет движения электрического тока в обмотке статора. Это и есть основной принцип действия асинхронного двигателя.
Если более глубоко начать разбираться в процессах, действующих внутри движка, то начнем с определения частоты вращения поля. Для этого можно воспользоваться формулой:
- f – это частота электрической сети питания, измеряемая в герцах (Гц);
- p – это количество пар полюсов.
Образованное магнитное поле пронизывает собой сразу две обмотки: и статора, и ротора. Именно под ее действием образуется электродвижущая сила, которая и вращает моторный вал. При этом в статоре образуется электродвижущая сила самоиндукции. Она, во-первых, направлена против приложенного напряжения в подающей сети. Во-вторых, она же сдерживает ток.
Внимание! В короткозамкнутых электродвигателях обмотка ротора замкнута накоротко, отсюда и название. В фазных моделях обмотка замыкается через сопротивление.
Но как же при этом создается вращение вала? Все дело в том, что под действием электродвижущей силы ротора во вторичной обмотке появляется ток. Именно он, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает определенную электромагнитную силу, которая его и вращает. Кстати, направление действия можно определить по правилу левой руки.
У магнитного поля есть два полюса: северный и южный. Если берем за основу правило левой руки, то полюса вращаются относительно статора против часовой стрелки. То есть, они все время перемещаются. По сути, на этом и основан принцип работы асинхронного двигателя.
Итак, на проводник, где проводит электрический ток, действует электромагнитная сила, о которой уже выше упоминалось. Это суммарная величина, которая образует электромагнитный момент вращения. По-простому, момент движется по направлению вращения самого магнитного поля. Если момент имеет большую величину, то ротор будет обязательно вращаться.
Кстати, электродвижущая сила в обмотках зависит от разности частоты вращения ротора и магнитного поля. Вторая величина должна быть больше первой. И чем данная разница будет больше, тем выше электродвижущая сила. То есть, получается так, что асинхронный двигатель может работать только в том случае, если величина частоты вращения магнитного поля будет больше частоты вращения ротора. Это и есть основное условия работы.
Отсюда и название самого мотора, потому что вал вращается не синхронно с магнитным полем. Вот такой принцип работы и устройство.
Схема запуска
В витках ротора индуктивный электроток может появляться только вследствие пересечения ими насильственных направлений магнитного поля. Их вращение должно реализоваться с быстротой чуть менее частоты верчения поля. Непосредственно отсюда и вышло название — асинхронный электродвигатель. Вследствие повышения механической перегрузки уменьшается быстрота верчения, увеличивается индуктивный электроток в роторных витках. А кроме того, увеличивается механическая мощность мотора и переменного тока, который он употребляет.
Принцип действия:
Благодаря току появляется импульсное магнитное поле в статоре электромотора. Это поле возможно рассматривать как 2 различных поля, которые вращаются разнонаправленно и имеют похожие амплитуды и частоты.- Если ротор располагается в неподвижном состоянии, данные поля приводят к появлению одинаковых по модулю, но разнонаправленных факторов.
- Если у двигателя отсутствуют особые начальные механизмы, в этом случае при старте результирующий момент станет равный нулю, а, следовательно — двигатель не будет вертеться.
- Если же ротор приведён в обращение в любую сторону, в таком случае соответствующий момент приступает доминировать, а следовательно, ось двигателя продолжит вертеться в определённом направлении.
Пуск выполняется магнитным полем, что крутит мобильную часть двигателя. Оно формируется 2 обмотками: основной и дополнительной. Заключительная обмотка имеет минимальный объем и считается пусковой. Она подключается к главной электрической сети через имеющуюся ёмкость или индуктивность. Подсоединение осуществляется только лишь в период запуска. В моторах с невысокой мощностью отправная фаза замкнута накоротко.
Запуск мотора осуществляют удержанием пусковой клавиши на несколько секунд, вследствие чего совершается разгон ротора. В период отпускания пусковой клавиши электродвигатель с двухфазного режима передаётся в однофазовый режим и его работа удерживается нужной компонентой переменчивого магнитного поля.
Отправная фаза рассчитана на временную работу — как правило, до 3 с. Более продолжительное время пребывания под нагрузкой может послужить причиной к перегреву, возгоранию изоляции и неисправности приспособления. Поэтому немаловажно своевременно освободить пусковую клавишу. С целью увеличения надёжности в корпус двигателей встраивают центробежный коммутатор и термическое реле.
Роль центробежного выключателя состоит в выключении пусковой фазы, если ротор наберёт скорость. Это происходит автоматом — без вмешательства. Тепловое реле отключает фазы обмотки, если они нагреваются свыше допустимого.
Устройство асинхронного двигателя и правила обслуживания
Схема пуска асинхронного двигателя может быть улучшена за счет последовательного включения с обмоткой пускового конденсатора. После отключения конденсатора происходит полное сохранение всех характеристик двигателя. Очень часто схема включения асинхронного двигателя имеет рабочую обмотку, разбиваемую на две последовательно соединяемые фазы. При этом пространственный сдвиг осей находится в пределах от 105 до 120 градусов. Для тепловых вентиляторов применяются двигатели с наличием экранированных полюсов.
Устройство трехфазного асинхронного двигателя требует проведения ежедневного осмотра, внешней очистки и крепежных работ. Два раза в месяц и более двигатель должен продуваться изнутри с помощью сжатого воздуха. Особое внимание следует обращать на смазку подшипников, которая должна соответствовать конкретному типу двигателя. Полная замена смазки производится дважды в течение года, с одновременной промывкой подшипников бензином.
Однофазное подключение электродвигателя
В наших домашних приборах чаще всего можно встретить всё тот же асинхронный прибор. Но как же он «понимает», в какую сторону ему начать вращение при его запуске, если на него заводятся только одна фаза и ноль? В такой асинхронный двигатель принцип действия заложен такой же, как и у трёхфазного – вращение магнитного поля. Для этого у каждого двигателя есть ещё один контакт – пусковой.
Статор имеет две обмотки, между которыми выдерживается угол 90°. Обе группы катушек подключены к одной и той же фазе, однако, чтобы обеспечить сдвиг на те же самые 90° между обмотками, одна из них подключается через конденсатор. Это заставляет магнитное поле вращаться.
Подобные двигатели используются, например, в кофемолках или соковыжималках. Можно слышать, как изменяется звук асинхронного двигателя в этих приборах, когда они работают под нагрузкой. На холостом ходу частота вращения ротора у них явно выше.
Подводя итог важно сказать, что асинхронные электродвигатели обрели большую популярность. Конечно, нельзя не забывать о некоторых недостатках. Однако все они перекрываются благодаря великому множеству достоинств.
Заключение
Основные элементы двигателя — трехфазная обмотка статора, шихтованный ротор с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» — предложены и разработаны Доливо-Добровольским. Работа асинхронного двигателя основана на электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Токи статорных обмоток создают вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцируют токи в короткозамкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия токов ротора с магнитным полем статора создается вращающий момент.
