Для преобразования какой энергии предназначены асинхронные двигатели

Содержание

Трехфазный асинхронный двигатель, предназначенный для преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор двигателя представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности цилиндра имеются пазы. В них уложена трехфазная обмотка, выполненная из изолированного провода. Она состоит из трех отдельных катушек – обмоток фаз, оси которых сдвинуты относительно друг друга на. 120°. Обмотки фаз соединяются между собой «звездой» или «треугольником».

Короткозамкнутый ротор представляет собой цилиндрический сердечник, собранный как и статор из листов электротехнической стали. В пазах сердечника уложена обмотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней, которые соединяются торцевыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку, так называемую «беличью клетку». Ротор укрепляется на валу и помещается внутри статора с минимальным воздушным зазором. При включении двигателя в сеть в каждой фазе статорной обмотки будет создаваться магнитный поток, изменяющийся с частотой питающей сети. При этом потоки отдельных фаз оказываются сдвинутыми относительно друг друга на угол 120° как во времени, так и в пространстве. В этих условиях результирующий магнитный поток оказывается вращающимся. Он вращается в пространстве с синхронной частотой вращения

, об/мин,

где — частота подводимого напряжения, Гц; — число пар полюсов двигателя (определяется по шифру двигателя). Для используемых в данной лабораторной работе асинхронных двигателей .

Результирующий магнитный поток при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, в ней возникает ток, который, взаимодействуя с результирующим магнитным потоком, создает электромагнитный момент двигателя. Под действием этого момента ротор вращается в сторону вращающегося магнитного потока двигателя, причем частота вращения ротора всегда меньше синхронной частоты вращения поля .

Важнейшим показателем, характеризующим работу трехфазного асинхронного двигателя, является скольжение ротора:

Скольжение характеризует степень отставания частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля и при номинальной нагрузке у современных двигателей составляет 2-6%. С ростом нагрузки скольжение увеличивается.

Преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя. Что это такое, как он устроен.

Трехфазный асинхронный двигатель имеет электромагнитный момент, величина которого определяется по формуле

где — подводимое к двигателю напряжение; — активное сопротивление; — приведенное активное сопротивление ротора; — индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя; — угловая частота вращения магнитного поля статора.

Из формулы электромагнитного момента асинхронного двигателя видно, что он пропорционален квадрату подводимого напряжения и зависит от скольжения. Причем имеется такое скольжение ротора, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент . Момент на валу двигателя определяется как , где — момент холостого хода двигателя, которым нередко можно пренебречь.

Свойства двигателя оценивают по механическим и рабочим характеристикам. Механическая характеристика двигателя – это зависимость частоты вращения ротора от момента

(рис. 21). Она может быть построена с помощью формулы для электромагнитного момента

или снята экспериментально.

Рис. 21

Рабочие характеристики – это зависимости частоты вращения , скольжения , вращающего момента , тока статора , коэффициента мощности и КПД от полезной мощности на валу двигателя при неизменных напряжении и частоты сети . В данной работе эти характеристики снимаются экспериментально и позволяют оценить рабочие свойства двигателя в номинальном и других режимах.

Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими двигателями. Они просты по конструкции, дешевы, надежны в эксплуатации, экономичны. К недостаткам этих двигателей относятся, прежде всего, большой пусковой ток и трудность регулирования частоты вращения ротора.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Виды асинхронных двигателей

В настоящее время разработано и применяется множество различных разновидностей АД, которые различаются конструктивно и по характеристикам. Бывают однофазные, двухфазные, трехфазные, многофазные конструкции, которые работают от сети переменного тока. Различается количество полюсов. Применяются модификации с постоянной и переменной частотой тока, последние называются инверторными. По типу ротора различают 2 вида: фазные электродвигатели и с короткозамкнутым ротором. Асинхронные электрические моторы выгодно отличаются от других преобразователей энергии компактностью, долговечностью высоким КПД.

АД распространены очень широко, и являются самым популярным типом электромашин. Асинхронные электродвигатели используют в компрессорах, системах водоснабжения, отопления, кондиционирования, автомобилестроении. Особенно востребованы такие устройства в областях, где требуется точно выдерживать скорость вращения вала, например при производстве полимеров, стеклотканей, проволоки.

Относительно маломощные однофазные агрегаты работают в вентиляторах, маломощной бытовой технике. Более производительные двухфазные агрегаты популярнее, их применяют в приводах стиральных машин, холодильников, иных приборов.

Значительно шире используются трехфазные асинхронные электромашины, в первую очередь в промышленности. Ими оснащают электроприводы станков, подъемных кранов, лифтов, многого другого. Этому способствуют надежность и экономичность электродвигателей.

Как устроен АД

Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных узлов: неподвижного статора и вращающегося вокруг своей оси ротора. Статор представляет собой стандартную конструкцию, где сердечник выполнен как полый цилиндр, изготовленный из стальных пластин, изолированных друг от друга. В расположенных на внутренней окружности открытых пазах уложена первичная обмотка, на которую подается напряжение электрической сети.

Внутри статора расположен ротор, опирающийся на вал через подшипники. Сами подшипники с обеих сторон закрыты фиксирующими их крышками. Весь агрегат помещается в металлический корпус. У асинхронных двигателей средней и высокой мощности для более эффективного охлаждения в корпусе предусмотрены ребра, а также вентилятор на валу. Предусмотрена клеммная коробка, куда выводятся концы обмоток.

Ротор может быть двух типов: короткозамкнутым и фазным. Конструктивно они различаются, соответственно асинхронные двигатели принадлежат к одной из двух групп по типу ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция такого ротора предельно проста. Сердечник выполнен из штампованных листов, а роль вторичной обмотки играет набор параллельных друг другу металлических стержней, торцы которых замкнуты между собой стальными кольцами. Механизм напоминает беличье колесо.

Обмотки статора расположены под углом 120°. Если подать на них переменное напряжение со сдвигом 120°, внутри возникает вращающееся магнитное поле. Если поместить эту самую беличью клетку внутрь вращающегося поля, его силовые линии будут пересекать проводники ротора, и наводить в них электродвижущую силу, а соответственно появятся токи. В результате там создается собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с вращающимся полем, входить с ним в «зацепление». Это означает, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле статора.

Частота вращения ротора всегда меньше, чем частота поля статора. Если он «догонит» частоту статора, ЭДС наводиться не будет, вращающий момент станет равным нулю, и электродвигатель перестанет работать. В этом эффекте и кроется смысл асинхронности. Относительная величина отставания, выраженная в условных единицах, называется скольжением. Этот параметр зависит от характеристик ротора, в том числе его сопротивления.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором не имеют подвижных контактов, их узлы проще, благодаря чему надежны и долговечны. Применяются в системах, не требующих регулировки скорости вращения, поскольку она затруднена, конструкция усложняется.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Фазный ротор по конструкции незначительно отличается от статора. Сердечник состоит из набора изолированных пластин, изготовленных из электростатической стали и закрепленных на вале. Между пластинами предусмотрены пазы, ориентированные вдоль продольной оси. В них укладываются витки вторичной обмотки, ее называют фазной. Число фаз обмоток статора и ротора должно быть одинаковым. Электрические цепи ротора подключается тремя контактными кольцами, на которых закреплены концы обмотки. Фазы соединяются звездочкой или треугольником. В двухполюсном асинхронном двигателе оси обмоток смещены друг относительно друга на 120°.

Предусмотрена возможность подключения дополнительного внешнего сопротивления для улучшения пусковых характеристик. Обычно используется реостат со ступенчатой регулировкой. Двигатель в такой конфигурации набирает обороты тоже ступенчато. При достижении оптимальных оборотов реостат отключается путем закорачивания токосъемных колец.

Типы асинхронных двигателей

Однофазные

С одной обмоткой. Питаются и от стандартной сети. Вращаются под воздействием однофазного тока. На статоре оснащены второй обмоткой. Подходят для вентиляторов низкой мощности.

Двухфазные

Функционируют на переменном токе. С парой обмоток, с фазосдвигающим конденсатором. Могут вращаться на высокой скорости. Устанавливаются в корпусах бытовой техники.

Трехфазные

С тремя обмотками, установленными со смещением по 120 градусов. Не боятся перегрузок, но у них сложно регулировать скорость оборотов.

Такие моторы применяют в циркулярных пилах, станках для сверления, кранах. Бывают трехфазные агрегаты с фазным и с короткозамкнутым ротором.

С короткозамкнутым или фазным ротором

Стабильная скорость при любой нагрузке
Устойчивость к небольшим перегрузкам
Простая конструкция, легкий запуск
Коэффициент мощности выше

Вращающий момент вначале с максимальным значением
Устойчивость к небольшим перегрузкам
Стабильная скорость при перегрузках
Ток при пуске меньше
Допустимость эксплуатации пусковых автоустройств

Трудности регулировки скоростного режима
Ток при пуске больше
Коэффициент мощности при недогрузках ниже

Величина
Коэффициент мощности и полезного действия ниже

С массивным ротором

Весь он из ферромагнитного материала, служит проводником магнитного поля и электрического импульса взамен обмотки. У массивного ротора высокий пусковой момент, но также высокие энергопотери, степень нагрева.

Особенности эксплуатации

Любые моторы такого типа:

относительно недорогие,
малозатратные,
могут работать без преобразователей при питании от сети (для нагрузок, при которых не нужно регулировать скорость),
не требуют дополнительного источника питания.

К недостаткам асинхронных моторов относятся:

Небольшой пусковой момент.
Большие значения пускового тока.
Отсутствие возможности регулировать скорость сетевом питании.
Ограничение предельной частотными характеристиками сети.
Зависимость от сетевых напряжений.
Невысокий коэффициент мощности.

Упомянутые недостатки нивелирует подсоединение асинхронного двигателя от статического частотного преобразователя наряду с нормированной эксплуатацией электротехники.

Чтобы не сокращался КПД, необходимо правильно пользоваться асинхронным двигателем:

стабильно загружать его минимум на 75%,
повышать коэффициент мощности,
следить за напряжением, частотой тока.

Работая с асинхронными двигателями, следует применять:

Частотные преобразователи — они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.
Устройства плавного пуска — они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Асинхронные электродвигатели – это устройства, главным назначением которых является преобразование энергии переменного электротока в механическую. Своим названием двигатель обязан асинхронному типу вращения ротора относительно частоты вращения магнитного поля, индуцирующего электроток в обмотке статора.

Этот тип электрического двигателя наиболее часто применяется в различных сферах промышленности. Двигатель имеет 3-и обмотки на статоре, со смещением на 120 градусов. Обмотки запитаны переменным током и объединены по схеме «звезда» или «треугольник». При подаче напряжения на обмотку статора во всех трёх фазах появится магнитный поток.

Вместе с изменением частоты напряжения на обмотке статора, изменяется и магнитный поток. Фазы и магнитные потоки смещены относительно друг друга на сто двадцать градусов. Суммарный магнитный поток и будет вращающимся магнитным потоком, создающим электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС, в замкнутой электроцепи обмотки ротора, индуцирует электроток. Во взаимодействии с магнитным потоком статора, ток создает пусковой момент электрического двигателя. Ротор начинает вращение в таком же направлении, что и магнитное поле статора при превышении пусковым моментом двигателя его тормозного момента.

Преимущества и недостатки асинхронных электродвигателей

Простота эксплуатации и хорошая ремонтопригодность – главные достоинства асинхронного двигателя, сделавшие его наиболее востребованным в очень разных сферах машиностроения и приборостроения. Привлекает и:

Сравнительно невысокая цена;
Надёжность
Несложность подсоединения в общую электроцепь устройств.

Асинхронные электродвигатели имеют и ряд недостатков:

Трудности с точным регулированием скорости;
Большой пусковой ток;
Относительно невысокий коэффициент мощности.

По типу обмотки ротора, короткозамкнутой или фазной, асинхронные двигатели, подразделяются на 2 типа:

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеют обмотку, замыкающуюся на сам ротор;
Электродвигатели с фазным ротором – обмотку с концами, выведенными на щеточно-коллекторный узел.

Преимущество двигателя с фазным ротором в том, что скорость вращения можно регулировать путем подключения дополнительных сопротивлений (реостатного регулирования).

Асинхронная электрическая машина

Асинхро́нная электри́ческая маши́на (от а. и греч. σύγχρονος – одновременный), электрическая машина переменного тока , у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора .

Статор – неподвижная часть асинхронной электрической машины – имеет шихтованный (набранный из стальных листов) магнитный сердечник, в пазах которого расположена многофазная обмотка , чаще всего трёхфазная, или две однофазные.

В конструкцию ротора – подвижной части асинхронной электрической машины – также входит шихтованный магнитный сердечник, посаженный на вал, с обмоткой в пазах. Различают роторы короткозамкнутые и фазные. Наибольшее распространение получили асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором, обмотка которого выполнена в виде стержней из сплава алюминия , замкнутых накоротко на торцах ротора кольцами (т. н. беличье колесо). Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку из медных изолированных проводников , соединённую звездой; концы фаз подсоединены к расположенным на валу контактным кольцам. Вместе с неподвижными щётками они образуют скользящий контакт, позволяющий соединять фазную обмотку с внешней цепью.

Первая (двухфазная) асинхронная электрическая машина предложена Н. Теслой в 1887 г., а трёхфазная асинхронная электрическая машина изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г. Асинхронная электрическая машина применяется в основном как двигатель (преобразователь электрической энергии в механическую ) и значительно реже как генератор (осуществляет обратное преобразование). Принцип действия основан на использовании вращающегося магнитного поля .

В трёхфазном асинхронном двигателе обмотка статора подключается к сети переменного тока . Токи фаз обмотки создают магнитодвижущую силу , которая и обусловливает появление вращающегося магнитного поля. Магнитное поле , пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС), которая, в свою очередь, вызывает ток в цепи роторной обмотки. В результате взаимодействия тока в проводниках ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий момент , который приводит ротор в движение и через вал передаётся нагрузочному механизму. Ротор асинхронного двигателя всегда вращается несколько медленнее поля статора (т. е. вращения не синхронны). При вращении с одинаковой частотой вращающееся магнитное поле не будет изменяться по отношению к проводникам ротора, в них перестанет наводиться ЭДС, исчезнут ток и вращающий момент, и, как следствие, ротор остановится. В однофазном двигателе для его пуска – создания вращающегося магнитного поля – на статоре предусмотрена вторая обмотка, ось которой сдвинута пространственно относительно оси основной обмотки.

Асинхронные двигатели выпускаются сериями на различные мощности и частоты вращения: трёхфазные – от десятков ватт до десятков мегаватт, однофазные – от долей до сотен ватт. Конструктивное исполнение двигателей зависит от их назначения и условий работы. Они широко используются во всех областях техники, сельском хозяйстве и быту, являясь основными потребителями электрической энергии .

Асинхронному генератору для возбуждения вращающегося магнитного поля необходима реактивная мощность, которая забирается из электрической сети , если он работает параллельно с сетью, или от другого источника (например, конденсатора), если генератор работает в автономной системе. Ротор асинхронного генератора вращается приводным двигателем в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей частотой. К недостаткам такого генератора относится необходимость в источнике реактивной мощности и трудность регулирования его выходного напряжения. Асинхронные генераторы небольшой мощности применяются для автономного электроснабжения подвижных объектов, как аварийные источники электроэнергии, в ветроустановках, малых ГЭС и т. д.

При вращении ротора против направления вращения поля асинхронная электрическая машина может работать как электромагнитный тормоз.

Беспалов Виктор Яковлевич . Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2005.

Опубликовано 10 июня 2023 г. в 21:39 (GMT+3). Последнее обновление 10 июня 2023 г. в 21:39 (GMT+3). Связаться с редакцией