Магнитное поле создаваемое обмоткой трехфазного двигателя является

В электрических машинах происходит преобразование механической энергии в электрическую (электрические генераторы) или электрической энергии в механическую (электрические двигатели) за счет энергии магнитного поля. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные сердечники, в пазы которых закладываются обмотки, выполняемые, как правило, из меди (иногда — из алюминия). Сердечники и обмотки являются активными частями машины, так как они непосредственно участвуют в процессе преобразования энергии. Для крепления сердечников и обмоток, фиксации взаимного положения вращающейся (ротор) и неподвижной (статор) частей машины служат конструктивные части — станина, щиты, вал, подшипники и т. д.

1 Устройство асинхронных машин (рис. 16-1, левая половина). Сердечники статора и ротора набираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Предварительно листы лакируются (листы ротора — не всегда). Сердечник статора фиксируется в металлической станине (серый чугун, силумин, сталь), которая неподвижно закрепляется на фундаментной плите. Сердечник ротора насаживается либо непосредственно на вал, либо на сварную (литую) втулку, которая укрепляется на валу. Концы вала опираются на два подшипника. Между сердечниками статора и ротора имеется небольшой воздушный зазор. В пазах сердечника статора размещается многофазная якорная обмотка (см. раздел), в пазах сердечника ротора — или многофазная, обычно трехфазная якорная обмотка, подобная обмотке статора (двигатель с контактными кольцами), или короткозамкнутая обмотка типа беличьей клетки (см. раздел). В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой сопрягаются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную э. д. с. для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.

Конкретное конструктивное оформление асинхронных машин очень разнообразно. Оно зависит от ряда факторов: от способа защиты от воздействия среды; от способа охлаждения; от габаритов машины и т. д.

2 Принцип действия асинхронного двигателя (рис. 16-2). Асинхронные машины используются главным образом в качестве электродвигателей. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя не только переменного тока, но и вообще электрического двигателя.

Токи частоты , потребляемые из сети и взаимно смещенные во времени на 120 эл. град, протекают по фазам обмотки статора, оси которых взаимно смещены в пространстве также на 120 эл. град, и образуют результирующую н. с. вращающуюся в пространстве со скоростью , где с — число пар полюсов обмотки, равное числу периодов магнитного поля (на рис. 16-2 каждая фаза обмотки машины с 2р = 2 показана в виде трех катушек). Намагничивающая сила F1 создает вращающееся магнитное поле (см. п. 5), которое наводит в обмотке ротора э. д. с. . Угловую скорость W1 и частоту вращения n магнитного поля называют синхронными — скоростью и частотой. Под действием э. д. с. в обмотке протекает ток .Ток несколько отстает по фазе от э. д. с. так как обмотка ротора имеет некоторое индуктивное сопротивление. В результате взаимодействия тока ротора вращающимся магнитным потоком Ф возникает вращающий электромагнитный момент , где j— угол сдвига по фазе между и . В режиме двигателя ротор под действием момента М приходит во вращение с некоторой скоростью W= 2pn в том же направлении, в каком вращается поле.

Трехфазные асинхронные двигатели

Относительную разность угловых скоростей или частот вращения поля и ротора называют скольжением

При изменении нагрузки в широком диапазоне (например, от холостого хода до номинальной) скорость ротора изменяется лишь на 3—5%. При номинальной нагрузке s= 0,03. 0,05,

В асинхронном двигателе частота вращения ротора должна быть меньше частоты вращения поля, так как в случае равенства этих частот в обмотке ротора ие наводилась бы э. д. с, не было бы тока 1 и не возникал бы вращающий электромагнитный момент; под действием которого ротор приходит во вращение. Это различие частот вращения магнитного поля и ротора и послужило причиной наименования рассматриваемых машин асинхронными. Оно также свойственно машине и при работе в режиме генератора и тормоза.

Частота э. д. с. и тока в обмотке ротора

Вращающийся поток машины Ф пропорционален результирующей н. с. обеих обмоток (н. с. вращаются в пространстве с одинаковыми скоростями). Он зависит от напряжения U1 частоты f1 питающей сети. При неизменных U1 и f1 поток Ф изменяется очень незначительно (2—3%) при изменении нагрузки двигателя в широком диапазоне (от холостого хода до номинальной).

При работе асинхронной машины в режиме двигателя и электромагнитный момент является вращающим. Если ротор привести во вращение с помощью постороннего двигателя со скоростью W>W1 (статор включен в сеть), то асинхронная машина будет работать в режиме генератора, отдавая активную мощность в сеть; при этом электромагнитный момент направлен навстречу внешнему вращающему моменту. Если ротор под действием внешнего момента вращается навстречу полю, т. е. W

В разделе принята следующая система обозначения выводов трехфазных обмоток: начала фаз обозначаются буквами А, В, С, концы фаз — соответственно буквами X,Y,Z. На рис. 16-2, 16-4 буквами А и А’; В и В’; С и С’ обозначены группы проводников обмоток фаз, в которых попарно ток протекает в противоположных направлениях.

Рис. 16-1. Устройство машин переменного тока.

1 -станина (корпус статора); 2 — сердечник статора; 3 — нажимная гребенка; 4 — шпонка; 5 — обмотка статора; 6а — обмотка ротора; 6с — обмотка возбуждения; 7а — соединительный хомутик обмотки ротора; 7с — демпферная обмотка; 8а — сердечник ротора; 8с — сердечник полюса; 9а — нажимная гребенка; 9с — нажимная шека полюса; 10с — ярмо ротора; 11 — токоподвод к контактным кольцам; 12 — контактные кольца; 13 — вал; 14 — стяжная шпилька.

Рис. 16-2. К объяснению принципа действия трехфазного асинхронного двигателя (2р-2).

Рис. 16-3. Размеры и устройство неявнополюсного ротора.

1 — массивный сердечник ротора (стальная поковка); 2 — большой зуб ротора; 3 — малый зуб ротора; 4 — осевой канал ротора; 5 -катушка обмотки возбуждения; 6 — аксиальный канал в большом зубе; 7 — стальной клин канала; 8 — клин; 9 — бандажное кольцо; 10 — центрирующее кольцо; 11 — выводы обмотки возбуждения; 12 — контактные кольца.

Распределение токов по фазам обмотки статора показано для момента времени, когда ток в фазе А имеет максимальное значение:

3 Устройство синхронной машины (рис. 16-1, правая половина). Статор синхронной машины принципиально устроен так же, как и статор асинхронной машины (см. п. 1). На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения, имеющая такое же число полюсов 2р, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего иточника. Обмотка возбуждения создает магнитное поле возбуждения. Конструктивное оформление ротора существенно зависит от частоты вращения машины. При n1500 об/мин (соответственно 2р4 при f= 50 Гц) применяется явнополюсное исполнение (явно выраженные полюсы)— рис. 16-1. При n=3000 об/мин (иногда при n=1500 об/мин), т. е. при 2р = 2(4) и f=50 Гц применяется неявнополюсное исполнение (неявно выраженные полюсы) — рис. 16-3.

Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов и ярма, к которому они прикрепляются. Полюсы обычно собираются из штампованных листов стали марки Ст. 3 толщиной 1—1,5 мм, которые стягиваются коваными или литыми нажимными щеками. В отдельных случаях применяются массивные литые полюсы. Полюсы крепятся к ярму ротора с помощью либо болтов (машины малой и средней мощности с массивным ярмом), либо полюсных хвостов Т-образной (рис. 16-1) или иной формы. На каждом полюсе устанавливается катушка обмотки возбуждения (см. раздел).

Ярмо ротора выполняют массивным (сварное, литое) или шихтованным из штампованных листов стали марки Ст. 3 толщиной 1,5 — 6 мм (если листы штампуются) и до 100 мм (если листы вырезаются пламенем газовой горелки). Листы стягиваются шпильками. При малом наружном диаметре (до 2-4 м) ярмо изготовляется из сплошных листов и насаживается непосредственно на вал. При большом диаметре ярмо собирается из отдельных сегментов, которые крепятся к сварному ободу, жестко связанному с валом с помощью спиц. Для улучшения вентиляции машин, имеющих значительную осевую длину, Обод выполняется подразделенным на несколько пакетов, между которыми имеются каналы для прохождения охлаждающего воздуха к периферийным зонам ротора.

Сердечник неявнополюсного ротора (рис. 16-3) изготовляется как единое целое с хвостовиками (концами вала) из одной поковки из углеродистой (диаметром до 800 мм) или легированной (диаметром свыше 800 мм) стали. Обмотка возбуждения распределяется по нескольким пазам ротора. Для защиты лобовых частей обмотки возбуждения от действия центробежных сил применяют стальные бандажные кольца (каппы), изготовляемые для крупных турбогенераторов из немагнитной стали с высокими механическими свойствами. Бандажное кольцо жестко сопрягается с сердечником или хвостовиком.

Рис. 16-4. К объяснению принципа действия трехфазной синхронной машины (2р-2).

4 Принцип действия синхронной машины (рис. 16-4). Синхронные машины используются преимущественно как генераторы электрической энергии. Синхроный генератор является основным типом генератора переменного тока. Ограниченное, но все более расширяющееся применение находят и синхронные двигатели.

При работе синхронной машины в качестве генератора возбужденный ротор приводится во вращение со скоростью W внешним механическим вращающим моментом (например, моментом гидравлической или паровой турбины). Ток обмотки возбуждения создает н. с. и магнитный поток, неподвижный относительно полюсов и замыкающийся через сердечник статора. Вращающимся потоком возбуждения в обмотке статора индуктируется э. д. с. частоты . Электродвижущие силы фаз трехфазной обмотки Взаимно смещены во времени на эл. град, так как оси обмоток фаз взаимно смещены в пространстве на 120 эл. град (см. п. 5). Если к обмотке статора присоединить симметричную нагрузку, то под действием э. д. с. в ней и во внешней цепи будет протекать симметричная система токов которые создают н. с. якоря магнитное поле, вращаюшиеся со скоростью W, т. е. синхронно с ротором (см. п. 5). Результирующий вращающийся магнитный поток Ф образуется совместным действием взаимно неподвижных н. с.

В результате взаимодействия потока Ф с током обмотки якоря возникает электромагнитный момент М=ФIсоsj, где I=Iа=Iв=Iс, j— угол сдвига по фазе между напряжением и током генератора. В генераторном режиме электромагнитный момент действует навстречу внешнему вращающемуся моменту, т, е. является тормозящим.

При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока, а обмотка ротора — к источнику постоянного тока. Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки возбуждения возникает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор вращается с синхронной скоростью W. В установившемся режиме электромагнитный момент уравновешивается вешним тормозящим механическим моментом.

Равенство частот вращения магнитного поля и ротора принципиально характерно для рассматриваемых машин и послужило причиной наименования их синхронными.

Явнополюсная синхронная машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя при отсутствии обмотки возбуждения, когда поток Ц создается только обмоткой статора. Такие машины называют синхронными реактивными машинами.

Примечания: 1. Обмотку переменного тока синхронной машины называют также обмоткой якоря, или якорной обмоткой, а часть машины, на которой уложена эта обмотка, — якорем. Магнитную систему, на которой располагается обмотка возбуждения, называют также индуктором.

Наиболее распространено такое исполнение синхронных машин, когда якорь является внешней частью машины и он неподвижен, а индуктор вращается. Однако машины малой мощности иногда выполняют с неподвижным внешним индуктором и вращающимся якорем.

5 Вращающееся магнитное поле. Работа многофазных () машин переменного тока основана на явлении вращающегося магнитного поля, которое заключается в том, что при протекании по сдвинутым в пространстве фазам многофазной обмотки токов, взаимно сдвинутых во времени, образуется вращающееся магнитное поле.

Одному периоду изменения магнитного поля в воздушном зазоре соответствует полный электрический угол, равный 360 эл. град, или два полюсных деления основной гармонической магнитного поля. Под основной гармонической магнитного поля обычно понимается гармоническая составляющая магнитной индукции в воздушном зазоре машины, имеющая наибольшую амплитуду по сравнению с другими гармоническими. Число полюсов обмотки 2р равно удвоенному числу периодов поля р. Следовательно, полюсное деление или t=180 эл. град. В машине с 2р полюсами полному геометрическому углу 360° соответствуют с полных электрических углов, или 360 эл. град. Таким образом, 1°=р эл. град.

На рис. 16-5 показана простейшая трехфазная (m=3) двухполюсная (2р=2) обмотка якоря, каждая фаза которой состоит из одного витка (об обмотках — см. раздел). Расстояние между проводниками, образующими один виток, равно полюсному делению. Нормально обмотки фаз в пространстве, а токи фаз во времени должны быть взаимно сдвинуты на угол 360/га. эл. град (условие образования кругового вращающегося поля). Взаимный сдвиг фаз обмотки на рис. 16-5 равен 360/m эл. град = 120 эл. град или, поскольку обмотка двухполюсная, 120 геом. град. На рис. 16-5, б показаны направления токов в проводниках обмотки в исходный момент времени (t=0), когда (за положительное условно принято направление тока в начальных проводниках фаз А, В, С за плоскость рисунка). На рис. 16-5,6 показаны направления токов в проводниках через четверть периода ,когда , а на рис. 16-5, в еще через четверть периода (t=1/2T), когда (мгновенные значения токов фаз определяются как проекции амплитудных векторов токов фаз на вертикальную ось).

Из рис. 16-5 видно, что обмотка создает двухполюсный магнитный поток, вращающийся в пространстве в направлении чередования фаз (А—В—С). За один период Ф изменения тока частоты f поле поворачивается на 360 эл. град, или на 2t. Следовательно, n [об/с] =f [Гц].

2р-полюсная обмотка создает 2р-полюсный магнитный поток, вращающийся в пространстве с частотой, в p раз меньшей, чем поток двухполюсной обмотки, при одинаковой частоте тока.

В общем случае механическая угловая скорость вращения поля W=2pn, где n=f/p, об/с, или n=60f/p, об/мин.

Рис. 16-5. Образование вращающегося магнитного поля.

Таблица 16-1 Частоты вращения поля при f=50 Гц

Устройство трёхфазного асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) состоит из статора и ротора (рис. 1). Статор состоит из чугунной станины 1, в которой закреплён магнитопровод 2 (сердечник из изолированных друг от друга листов 0,5 мм электротехнической стали) в виде полого цилиндра. По внутренней окружности сердечника вырезаны пазы, в которых укладывается обмотка 3. В зависимости от способа соединения обмоток различают двухполюсные и многополюсные машины. У двухполюсных машин обмотка статора состоит из трёх катушек, сдвинутых на 120°, у четырёхполюсных — из шести катушек с углом 60°.

Модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Рис. 1. Модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку 4, которая может быть короткозамкнутой или фазной. Наиболее распространена короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки. Она состоит из проводящих стержней (медь, алюминий), соединённых по торцам медным или алюминиевыми кольцами 5. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Фазная обмотка изолирована от ротора, концы её выводятся на контактные кольца и через щётки во внешнюю цепь (рис. 2).

Рис. 2. Условное изображение асинхронного двигателя: а — с короткозамкнутым ротором; 6-е фазным ротором

Вращающееся магнитное поле

К статорной обмотке подключается трёхфазное синусоидальное напряжение (рис. 3).

Временные диаграммы трёхфазного напряжения и магнитной индукции

Рис. 3. Временные диаграммы трёхфазного напряжения и магнитной индукции

В каждой катушке будет создаваться магнитное поле, которое характеризуется вектором магнитной индукции. На рис. 3 показаны направления векторов при положительных значениях токов в каждой фазе.

Рассмотрим мгновенные значения ВА,Вв,Вс и результирующую индукцию для моментов времени: 0, тг/2, тг, 3/2л.

Очевидно, что результирующий вектор магнитной индукции, оставаясь по величине равным 1,5Втах, вращается с угловой скоростью го по часовой стрелке при чередовании фаз А, В, С. Если две фазы поменять местами, то направление вращения изменится на противоположное.

Таким образом, при подключении трёхфазного напряжения в статоре образуется вращающееся магнитное поле.

Ток, проходя по катушке, создает переменный магнитный поток, направленный по оси катушки в положительном или отрицательном направлении. Мгновенное значение результирующего потока ф машины равно сумме мгновенных значений потоков фаз, т.е.

Построим векторы потоков для моментов времени Z]-Z6 как показано на рис. 4.

Векторные диаграммы магнитных потоков

Рис. 4. Векторные диаграммы магнитных потоков.

В момент времени t = 0, следовательно, Фд(/1) = 0, так как Фд(/і) 0, то Фд(?і) направлен по оси катушки BY в отрицательном направлении. Поскольку Фс(Л) > 0, то ФсОї) направлен по оси катушки CZ

в положительном направлении. Поскольку | i^t) | = | |, что следу

ет из свойства симметричной трёхфазной системы токов, то | Фв( ? 1) | = | Фс(Л) | и вектор Ф(б) направлен вертикально вниз. Осуществляя аналогичные построения для моментов времени f2, ti, ?4 убедимся, что за время, равное половине периода тока в фазе обмотки вектор результирующего потока Фрез повернётся в пространстве на угол 180°, а за время, равное периоду тока Т = /f, он повернется на 360° или сделает один полный оборот. Длина (модуль) вектора результирующего потока сохраняется при этом постоянной и равной 3/2 от амплитуды потока любой из фаз машины.

Таким образом, в том случае, если каждая фаза обмотки представлена в машине одной катушкой, то при питании фаз симметричной трехфазной системой токов, меняющихся с частотой /, в рабочем объеме машины образуется круговое магнитное поле, вращающееся с частотой /і или с частотой вращения п, об/мин

Рассмотренное поле эквивалентно полю двух полюсов магнита, вращающихся в пространстве с частотой п. Для организации такого поля в машине с двухфазной обмоткой необходимо сдвинуть в пространстве геометрические оси фазных катушек на 90° и организовать сдвиг по фазе токов в фазных катушках на 90°.

Результирующее магнитное поле совершает один оборот за один период тока для двухполюсной машины. Но в статоре можно создать и многополюсное поле. Для этой цели увеличивается количество катушек во столько раз, во сколько увеличится число пар полюсов.

Частота вращения магнитного поля с двумя парами полюсов будет в два раза меньше, чем у двухполюсной машины, так как за один период изменения токов полюсы поворачиваются на угол, равный 180°.

Частота вращения поля статора, об/мин

trq/- частота напряжения сети;

р — число пар полюсов.

Трехфазный асинхронный двигатель

Определение 1

Трехфазный двигатель –это электрический двигатель, который питается от трехфазной электрический сети.

Определение 2

Асинхронный двигатель – это электрический двигатель переменного тока, у которого частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, которое создается статором.

Основными частями трехфазного двигателя, в том числе асинхронного, являются:

У трехфазного асинхронного двигателя три обмотки располагаются на полюсах железного сердечника, имеющего кольцевую форму, относительно друг друга под углом 120 градусов. Внутри данного сердечника находится металлический цилиндр, который и является ротором. Конструктивные элементы ротора изображены на рисунке ниже.

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты

Рисунок 1. Ротор. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — вал; 4 — контактные кольца; а — короткозамкнутый ротор; б — ротор в фазном исполнении.

Вращение ротора происходит внутри статора. Его вал соединен с деталями двигателя агрегатором. Существуют две разновидности ротора: фазный и короткозамкнутый. Фазный ротор представляет собой двигатель, поддающийся регулировке посредством добавления в его цепь добавочных сопротивлений. Такие двигатели применяются во время пуска с нагрузкой на валу. Увеличение количества сопротивлений, предоставляет возможность увеличения пускового момента. Короткозамкнутый ротор залит в поверхность сердечника и замкнут с обоих концов при помощи двух медных колец. Сам ротор состоит из алюминиевых стержней и двух торцов с двумя кольцами, которые замкнуты накоротко.

Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽

Статор представляет собой неподвижную часть, формирующую вращающееся магнитное поле. Конструктивная схема статора изображена на рисунке ниже.

Рисунок 2. Статор. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

1 — станина; 2 — сердечник; 3 — обмотка.

Корпус статора изготавливается из чугуна, иногда из алюминия. В нем помещается сердечник из пластин из электротехнической стали, толщина которой не превышает 0,5 миллиметра. Пластины скрепляются швами или скобками, а станине они закрепляются при помощи стопорных болтов. Обмотки статора сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, они вложены в пазы на внутренней стороне сердечника. Они изготавливаются из изолированного медного или алюминиевого провода квадратного или круглого сечения.

Трехфазный асинхронный двигатель характеризуется конструктивными и электрическими характеристиками, определяющими область его применения. К основным из них относятся:

  1. Мощность двигателя.
  2. Напряжение питания двигателя.
  3. Типовой режима работы.
  4. Степень защиты.
  5. Класс нагревостойкости изоляции.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Совокупность моментов, которые создаются отдельными проводниками, образуют результирующий вращающий момент двигателя, вследствие чего возникает электромагнитная пара сил, стремящаяся повернуть ротор в направлении движения электромагнитного поля ротора. Ротор, приобретая определенную скорость, и магнитное поле начинают вращаться синхронно, то есть с разными скоростями. В асинхронных двигателях, скорость вращения ротора всегда меньше, чем скорость вращения магнитного поля статора.

Вращающий момент двигателя создается силами взаимодействия между токами, которые индуцируются в роторе, и магнитным полем. Сила токов в роторе определяется относительной частотой вращения поля по отношению к ротору, вращающийся в ту же сторону.

Если бы ротор вращался с такой же частотой, как и поле, то никакого движения не было бы. Он находился бы в покое относительно магнитного поля и в нем не могла бы возникнуть какая-либо электродвижущая сила, которая приводила бы его в движение.

При росте нагрузки двигателя должен увеличиваться ток не только в роторе, но и в статоре, поэтому при эксплуатации трехфазных асинхронных двигателей необходимо придерживаться некоторых правил. У используемого двигателя должна быть такая мощность, которая необходима для того, чтобы приводить в движение машину. Если нагрузка не достигает 40 % от нормальной и обмотки статора включены способом треугольник, то имеет смысл переключить их на звезду. Чтобы изменить направление, в котором вращается двигатель нужно поменять местами два линейных провода, которые присоединены к двигателю, для чего применяется двухполюсный переключатель. Осуществляется это автоматически из-за того, что электрический ток в роторе создает в окружающем пространстве собственное магнитное поле, которое воздействует на обмотки статора, индуцируя в них электродвижущую силу. Реакция якоря (связь между магнитными потока статора и ротора) является причиной изменения тока в статоре, обеспечивая согласование электрической мощности, которая отбирается из сети, и механической мощностью, которая отдается двигателем.

Однофазный двигатель

Не часто можно встретить однофазный двигатель в промышленной отрасли, но при этом его применение очень распространенно в домашних условиях. Основная причина в том, что для функционирования данным устройствам не нужна большая мощность, а в применении они должны быть достаточно простыми. Иными словами, их работа должна быть основана на включении в стандартную розетку.

Однофазные двигатели гарантируют мощность не больше в 2 кВт, чего хватает для многих предметов домашнего использования.

Процесс запуска однофазного двигателя

Внутреннее строение однофазного двигателя схоже с конструкцией трёхфазных. Но, из-за наличия одной обмотки, вращающееся магнитное поле не образовывается при поступлении напряжения, а его отсутствие свидетельствует о невозможности привести ротор в движение.

Самостоятельное его вращение возможно в результате прокрутки вала двигателя. при этом, стоит обратит внимание на то, что ручное вращение вала небезопасно и не удобно. учитывая это, для реализации данного процесса применяется конденсатор с дополнительно подключающейся обмоткой (пусковой). В основном её сдвиг по фазе составляет 90 градусов от основной обмотки. Использование пусковой обмотки допустимо только в случае пуска двигателя.

В обязательном порядке она отключается при достижении двигателем номинального значения крутящего момента. В ином случае, система может перегореть из-за производимого тепла.

Каков принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя?

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

поделиться знаниями или
запомнить страничку

  • Все категории
  • экономические 43,679
  • гуманитарные 33,657
  • юридические 17,917
  • школьный раздел 612,672
  • разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

  • Обратная связь
  • Правила сайта

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

  1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
  2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
  3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
  4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
  5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
  6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

  • Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
  • Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
  • Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
  • Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока.

В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной , так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя . Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем . Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского

Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя , помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.

Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.

Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.

На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.

Рассмотрим — подробнее этот процесс.

Получение вращающегося магнитного поля

Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля

В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.

Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.

В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.

Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).

При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».

Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.

Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.

Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки . В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.

асинхронный двигатель на станке

Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле . При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.

При частоте трехфазного тока f , равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:

при двухполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 1 = 3000 об/мин,

при четырехполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 2 = 1500 об/мин,

при шестиполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 3 = 1000 об/мин,

при числе пар полюсов статора, равном p : n = (f х 60 ) / p ,

Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.

Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.

Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 — 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.

устройство асинхронного двигателя

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей

Асинхронный электродвигатель в разобранном виде

Ротор аснхронного электродвигателя

Асинхронный электродвигатель в разобранном виде: а) статор; б) ротор в короткозамкнутом исполнении; в) ротор в фазном исполнении (1 — станина; 2 — сердечник из штампованных стальных листов; 3 — обмотка; 4 — вал; 5 — контактные кольца)

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.

В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя , подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором .

Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

устройство асинхронных электродвигателей

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:

1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.

2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».

Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».

Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».

Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором , но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

Асинхронные двигатели на промышленном предприятии

Типы асинхронных электродвигателей

Основной тип асинхронных машин — трехфазный асинхронный двигатель . Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединяются в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.

Двигатели малой мощности в большинстве случаев выполняются как двухфазные . В отличие от трехфазных двигателей они имеют на статоре две обмотки, токи в которых для создания вращающегося магнитного поля должны быть сдвинуты на угол π /2.

Если токи в обмотках равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, то работа подобного двигателя ничем не будет отличаться от работы трехфазного. Однако такие двигатели с двумя обмотками на статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети и сдвиг, приближающийся к 90°, создается искусственным путем, обычно за счет конденсаторов.

Однофазный двигатель , имеющий только одну обмотку на статоре, практически неработоспособен. При неподвижном роторе в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле и вращающий момент равен нулю. Правда, если ротор такой машины раскрутить до некоторой скорости, то далее она может выполнять функции двигателя.

В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но оно слагается из двух симметричных — прямого и обратного, которые создают неравные моменты — больший двигательный и меньший тормозной, возникающий за счет токов ротора повышенной частоты (скольжение относительно обратносинхронного поля больше 1).

В связи с изложенным однофазные двигатели снабжаются второй обмоткой, которая используется как пусковая. В цепь этой обмотки для создания фазового сдвига тока включают конденсаторы, емкость которых может быть достаточно велика (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт).

В системах управления используются двухфазные двигатели, которые иногда называют исполнительными . Они имеют две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, непосредственно подключается к сети 50 или 400 Гц. Вторая используется как обмотка управления.

Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего момента ток в обмотке управления должен быть сдвинут на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется изменением значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс обеспечивается изменением фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключением обмотки).

Двухфазные двигатели изготовляются в нескольких исполнениях:

  • с короткозамкнутым ротором,
  • с полым немагнитным ротором,
  • с полым магнитным ротором.

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение органов рабочей машины всегда связано с необходимостью использования каких-либо механических узлов: зубчатых реек, винта и др. Поэтому иногда целесообразно выполнение двигателя с линейным перемещением ротора-бегунка (название ’’ротор” при этом может быть принято только условно — как движущегося органа).

В этом случае двигатель, как говорят, может быть развернут. Обмотка статора линейного двигателя выполняется так же, как и у объемного двигателя, но только должна быть заложена в пазы на всю длину максимального возможного перемещения ротора-бегунка. Ротор-бегунок обычно короткозамкнутый, с ним сочленяется рабочий орган механизма. На концах статора, естественно, должны находиться ограничители, препятствующие уходу ротора за рабочие пределы пути.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий