Асинхронный двигатель: устройство, принцип работы, строение с фазным или электрозамкнутым ротором, электродвигатель, трехфазный

Этот тип двигателя был изобретен русским ученым М.О. Доливо- Добровольским в 1889 году. Он смог сконструировать потрясающую машину, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Особенностью этого двигателя является то, что его ротор крутится с меньшей скоростью, чем магнитное поле статора.

Сравнение синхронного и асинхронного двигателей

Синхронные и асинхронные- это два главных вида двигателей переменного тока. Они отличаются по строению и принципу работы.

Основной задачей, выполняемой аппаратами является переход электрической энергии в механическую, это приводит к включению многих приборов и агрегатов.

В корне работы находится выработка индукции магнитных полюсов при помощи ротора, совершающего вращательные движения и стационарного статора. Контролер расположения ротора предоставляет нужную информацию до того, чтобы регулировать процесс, учитывая фазы напряжения.

Главным различием является то, что в системе ротора, суть которого постоянный или электрический магнит, разные способы выработки полюсов:

Асинхронные двигатели- эти модели используют магнитную индукцию, благодаря чему, имеют низкий уровень траты энергии, не сложную конструкцию, использование в повседневных приборах с однофазным подключением. Основной недостаток — высокие тепловые потери и не простая регулировка.
Синхронные агрегаты используют катушки или постоянные магниты. И имеют высокий уровень надежности и КПД, бесперебойное вращение, вне зависимости от нагрузок, легок в обслуживании. Из недостатков непростой запуск и постоянная подпитка ю обмотки током. В некоторых аппаратах регулярно ломаются коллекторы и щётки.

Конструкция синхронного двигателя:

подшипниковый узел
сердечник
магниты, индуктор и якорь с обмоткой
втулка
стальная тарелка

Современные синхронные аппараты имеют короткозамкнутую пусковую обмотку, запускающую аппарат в асинхронном режиме.

Асинхронные короткозамкнутые и фазно-роторные двигатели имеют конструкцию:

сердечник и магнитопровод
вентилятор с кожухом
подшипник
клеммная коробка и тройная обмотка
контактные кольца

Эти агрегаты очень часто используются, т.к. способны контролировать частоту вращения вала благодаря реостату.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Простая конструкция.
Отсутствие щеток. Благодаря этому более длинный период без ТО и их замены.
Низкая цена на двигатель
Простое подключение.
Отсутствие элементов преобразования. Действия статора и ротора происходят благодаря самой конструкции
Работа двигателя совершается независимо от происходящего в окружающей среде
Отсутствуют искры и угольной пыли, благодаря тому, что нет щеток

Асинхронный электродвигатель является очень эффективным, и обладает КПД 85-97 %

Недостатки асинхронных электродвигателей

Неконтролируемая скорость. Является следствием того, что трехфазный асинхронный двигатель обладает постоянной скоростью и изменения при любых нагрузках минимальны. Всевозможные приборы, регулирующие уровень скорости, вырабатываемой мотором, увеличивают сферы в которых применяется двигатель, и позволяют расходовать электроэнергию в минимальных количествах. Когда происходит прямой запуск, он характеризуется негативными условиями в которых потребляется много тока и появляется низкий уровень пускового момента.

Высокий уровень роторной инерции-двигатель не обладает такой мощностью, чтобы вынести вращение приводных агрегатов, имеющих большой вес.

На сегодняшний день разработаны механические и электронные приборы, которые делают электромоторы высокоэффективными и максимально устраняют возможные минусы асинхронных электродвигателей.

Устройство асинхронного электродвигателя

Двигатели асинхронные имеют две основные составляющие – статор и ротор. Принцип работы асинхронного двигателя:

Статор не двигается. Внутри существуют пазы с трехфазной обмоткой
Ротор вращается, с уложенной обмоткой в пазах
Статор и ротор делаются из электротехнической стали (штампованные листы 0,35-0,5 мм). Между ними прокладывается слой лака
Между статором и ротором небольшое расстояние (0,3-0,35 мм)
Бывают асинхронные, короткозамкнутые и фазно-роторные двигатели
Трехфазная обмотка имеет катушки, которые соединены
Катушка представляет собой один и более витков, изолированных друг от друга, и от стенок паза

а) Обмотка статора асинхронного электродвигателя

б) Обмотка, с катушками, состоящими из двух проводников

в) Обмотка четырех полюсного статора с одним проводником на полюс и фазу

г) С двумя проводниками на полюс и фазу

д) Обмотка шести полюсного статора с одним проводником на полюс и фазу

1-На неподвижной части двигателя – статор; 2- На статоре размещается трехфазная обмотка; 3- Сердечник статора находится в чугунном корпусе; 4- Ротор; 5-Сердечник ротора; 6- Вал ротора; 7 и 8- Крышки электромотора

а) — ротор с короткозамкнутой обмоткой; б) — «беличье колесо»; в) — короткозамкнутый ротор, залитый алюминием

1 — сердечник ротора; 2 — замыкающие кольца; 3 — медные стержни; 4 — вентиляционные лопатки

Асинхронный электродвигатель устройство: 1 — вал двигателя,2 — ротор,3 — обмотка ротора, 4 — статор, 5 — обмотка статора, 6 — корпус, 7 — подшипниковые крышки, 8 — вентилятор, 9 — контактные кольца

Статор асинхронного двигателя

В конструкции есть сердечник, в котором пластины из электротехнической стали и медные обмотки:

Внутри статора находятся пазы:

В них заходит изоляция:

Происходит намотка медного лакированного провода:

Устройство асинхронных двигателей- включает три различные части медного провода:

Они уложены по определенным правилам в пазы статора, соблюдая угол 120 градусов друг от друга:

Обмоточные провода крепятся в клеммной коробке:

Статор асинхронного двигателя:

Сердечник статора

Сердечник статора — это магнитопроводящий элемент. Внутри дуги сегментов находятся пазы, предназначенные для обмотки. Снаружи — пазы «ласточкин хвост». Для больших генераторов используют сердечники неразрезной конструкции.

а) статор генератора разрезной конструкции; б) сегментный пакет сердечника статора 1 — стыковая плита корпуса; 2 — нажимная плита сердечника; 3 — активное железо сердечника; 4 — прокладка в стыке между секторами сердечника; 5 — стык между секторами корпуса; 6 — корпус статора; 7 — стыковая поверхность сердечника; 8 — сегмент; 9 — зубец сегмента; 10 — спинка сегмента; 11- радиальный вентиляционный канал; 12 — паз для обмотки; 13 — межпакетная распорка; 14 — пакеты активной стали

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

Для определения количества оборотов необходимо проверить следующие данные. Сколько секций в катушке обмотки (2, 3, 4):

Понять какое расстояние занимает одна катушка по кольцу железа статора:

Варианты:

½ кольца железа статора, электродвигатель совершает 3000 об/мин

1/3 кольца железа, электродвигатель совершает 1500 об/мин

1/4 кольца железа, электродвигатель совершает 1000 об/мин

Ротор асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором- включают в себя сердечник с короткозамкнутой обмоткой и вал. Сердечник обладает шихтованной структурой. У листов ротора отсутствует лак.

Устройство короткозамкнутого ротора

Короткозамкнутый ротор похож на «беличье колесо». В состав входят стержни накоротко замкнутые по концам кольцами.

Устройство фазного ротора

Отличается от короткозамкнутого полной трехфазной обмоткой.

Обмотка фазного ротора подключается к контактным кольцам, присоединенным к валу, является изолированной. Имеет три части, соединяемые «звездой».

Используя контактные кольца к обмотке крепится регулировочный реостат.

Обмотка статора может создавать несколько полюсов, это зависит от имеющегося количества катушек. Катушки по отношению друг к другу стоят под уровнем 120, 60, 40 и др. градусов. Фазный ротор создает одинаковое количество полюсов как статор.

Что лучше короткозамкнутый или фазный

Фазные роторы быстрее дают старт, мягко переходят на другую скорость. Однако, короткозамкнутый не имеет щеток, они часто ломаются. Простота устройства удешевляет двигатель, срок службы длиннее, обработка менее затратна.

Плюсы короткозамкнутого двигателя:

Упрощенная конструкция.
Не трудное обслуживание.
Высокий уровень КПД.
Отсутствует генерация искр.

Минусы:

Небольшой пусковой момент.
Большой уровень пускового тока.
Скорость не регулируется.

Плюсы фазного двигателя:

Мгновенный старт.
Перемена скорости в рабочем режиме.
Прямое подключение не ограничивает мощность.

Минусы:

щётки часто ломаются
искрение
постоянное ТО

Как вращается ротор

Принцип действия асинхронного двигателя в том, что ток в обмотках статора генерирует вращающееся магнитное поле. Оно в свою очередь доставляет в ротор ток, который взаимодействует с магнитным полем и заставляет конструкцию вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.

Скольжение асинхронного двигателя скорость вращения ротора

Отстающий момент ротора от вращающегося поля статора имеет исчисляемый параметр s, который называется скольжением.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0—100%. В случае s~0, то это означает холостой ход, где нет противодействующего момента; в случае s=100% — это короткое замыкание. Скольжение имеет зависимость от механической нагрузки на валу двигателя, при возрастании тоже идет на увеличение.

Скольжение, которое соответствует номинальной нагрузке двигателя, является номинальным скольжением.

Про реактивную мощность

При подключении электромагнитных приборов в сеть, образуется реактивная энергия, которая совершает движения от прибора к сети и обратно.

Это результат временного запасания энергии в магнитном поле катушки, и дальнейший возврат.

Примером служат трансформаторы и электродвигатели.

Иногда ток, идет вперед напряжения, это происходит при временном накоплении энергии конденсаторами и дальнейшего её возврата, тогда возникает реактивная энергия.

Вред реактивной энергии в том, что она абсолютно не применяется, но нагружает провода.

Пусковой ток

Пусковой ток Iп, вычисляется формулой, где Kп – это кратность постоянного тока относительно его номинального значения (Iн).

Коэффициенты Kп, Pн, ηн, cosφ, Uн стандартны и описаны в документах по эксплуатации.

Как уменьшить напряжение при пуске асинхронного мотора

Понижение напряжения достигается:

Изменение подключения намоток статора с «треугольника» на «звезду». Работа стартует со «звезды», по достижении номинальной частоты переключается на «треугольник». Напряжение, питающее фазы снижается в 1,73 раз. Уменьшаются также фазные токи, линейные — снижаются в 3 раза.
Начало работы с добавочным сопротивлением, приводит к снижению уровня вольт на статорной обмотке. В момент запуска в электроцепь подключают реакторы или резисторы.
Начало работы с включением в трансформатор понижающего типа, имеющего автоматические переключаемые ступени.

Способы подключения асинхронного двигателя

Способы могут быть в виде звезды или треугольника. В «звезде» обмотки подключают на фазное напряжение, в «треугольнике» на линейное напряжение.

Электродвигатель асинхронный трехфазный подключается в зависимости от типа обмотки. Указывается в документах двигателя.

Способ соединения звезда(А)

Звезда — это соединение, когда концы фаз обмоток генератора (G) соединяют в одну общую точку — нейтральную или нейтраль.

Концы фаз обмоток потребителя (M) также соединяют в общую точку.

Провода, объединяющие начала фаз генератора и потребителя, являются линейными. Кабель, объединяющий две нейтрали, является нейтральным.

Трёхфазная цепь, включающая нейтральный провод, является четырёх проводной.

Способ соединения треугольник(Б)

В «треугольнике» обмотки соединяются между собой. Провода, обеспечивающие питание подключаются к точкам соединения обмоток.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Частота вращения имеет зависимость от числа полюсов статора. Чем больше, тем ниже скорость. Также регулируется напряжением и частотой питания.

Напряжение меняется от потенциометра, частотного преобразователя.

Частота вращения асинхронного двигателя вычисляется по формуле:

Регулирование возможно: переменой частоты-f, числа полюсов-р и скольжения-S.

Частота

При частотном регулировании поддерживается соотношение

Это более экономично и перспективно.

Число пар полюсов

Необходимы двигатели:

— с несколькими обмотками на статоре, в одних и тех же пазах
— с одной обмоткой, переключающей ее секций и меняющей число пар полюсов

Они являются многоскоростными.

Питающее напряжение

Здесь используется тиристорный регулятора напряжения (ТРН)

Активное сопротивление цепи ротора

Подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети

Необходимо соблюдать:

напряжение должно быть 380В.
на шильде должно быть обозначение: Y/Δ.
одинаковое сопротивление обмоток, асинхронный привод работает правильно, одновременная подача напряжения сети ко всем фазам.

Подключение может быть с автоматическим выключателем или автоматом защиты.

Также можно использовать пускатель или электромеханический контактор, замыкающий все фазы и обмотки электромотора.

Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети

Самое эффективное подключение на бытовом уровне — это однофазное подключение трехфазных двигателей как «треугольник». Достигаемая мощность доходит до 70% от номинальной. 2 контакта в распределительной коробке подключаются к проводам однофазной сети (220В), а третий — к рабочему конденсатору. Средний к любому из двух первых контактов или проводам сети. По типу «звезда» подходит к сети с напряжением 220В, применяется для электродвигателей, у которых обмотки выдерживают напряжение 220/127В.

Как выбрать конденсатор

Конденсаторы — это составляющие обвязки полупроводниковых компонентов в электронных схемах.

Ёмкость — главная отличительная черта. На нее влияет диэлектрическая проницаемость изоляционного материала, расположенного между пластинами (обкладками) конденсатора. Может увеличиваться с повышением площади совместного расположения пластин и уменьшения расстояния между ними.

Выбирая конденсатор необходимо учитывать, что его рабочее напряжение должно быть в 1,5 раза выше сетевого, а его емкость – в 2,5-3 раза больше рабочего конденсатора. Для этого конденсаторы подключаются как последовательно, так и параллельно.

Необходимо смотреть за функционированием и уровнем температуры двигателя после его включения. При повышении температуры аппарата с работающим конденсатором, нужно снизить емкость последнего. В общих случаях лучше купить конденсаторы с рабочим напряжением от 450 В.

Расчет емкости конденсатора

Выбор типа конденсатора

конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические конденсаторы)
алюминиевые
танталовые
гибридные
пленочные конденсаторы с диэлектриком из различных полимеров
конденсаторы с твердым диэлектриком
керамические конденсаторы
диэлектрик из стекла
слюдяные конденсаторы

По способу установки:

для поверхностного монтажа
для монтажа в отверстия
с выводами под винт

Для грамотного выбора определяется:

коэффициенты номинальных параметров и их допустимый диапазон в процессе работы, возможные режимы и нагрузки
эксплуатационные факторы
уровень надежности, долговечности и сохраняемости конденсаторов
структура конденсаторов, разновидности монтажа, размеры и масса

Теория и подключение пускового конденсатора

Конденсатор во всех случаях подключается к системе параллельно с усилителем. Используется как дополнительный источник энергии, благодаря которому усилитель быстро получает энергию. Конденсатор, размещенный рядом с усилителем и при таком же напряжении, как и аккумулятор, стабилизирует уровень напряжения на усилителе, подавая в него ток.

При подключении важно, если у двигателя шесть выводов с перемычками, то их собирают в два пучка. Один пучок – начало обмоток, второй – концы.
При трех выводах, разделяют провода и припаивают к ним выводные провода. Используется схема «треугольник».
Рассчитывается емкость конденсатора. Напряжение конденсатора должно быть высоким.
Лучше всего в статоре электродвигателя расположить 3 обмотки под углом 120 градусов и подвести необходимое напряжение.
Конденсатор прикрепляется по возможности ближе к потребителю. Длина проводов идущая от конденсатора до усилителя должна быть менее 60 см.
Конденсатор вначале заряжают потом подключают к цепи. Лучше подключать через автомобильную лампочку. После погашения лампочки подключается конденсатор напрямую.
В современных конденсаторах есть система автоматической зарядки, тогда не нужно предварительно заряжать.

Проверка двигателя перед запуском

Двигатель должен быть без повреждений, наличие всех болтов и других составляющих
Проверить свободное вращение вала. Вращение должно быть свободным, без механических шумов или блокировок
Проверить заземляющие провода (не менее 2). Чистые и без повреждений
Сопротивление электрической изоляции обмоток должно соответствовать нормам по ГОСТ

Информационная табличка на двигателе, шильдик

Обозначения:

наименование двигателя и тип двигателя – в этом наборе букв и цифр кодировалась технологическая информация
количество рабочих фаз; частота рабочего напряжения (Гц); мощность двигателя (W); cos φ – коэффициент мощности тока
количество оборотов в минуту вала двигателя; характеристики статора – по каким схемам можно соединять обмотки (треугольник или звезда); величины рабочего напряжения;
ток, потребляемый двигателем, соответствующий каждой схеме соединения обмоток, коэффициент полезного действия (КПД), степень пыле-влагазащиты (IP54).
ГОСТ СССР, по которому сделан двигатель; класс изоляции, режим S1. Режим S1 говорит о постоянном режиме работы.