Конструкция асинхронного двигателя

Содержание

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

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.

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

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.

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.

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.

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей

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.

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.

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).

Читайте также:  Выбираем качественный холодильник для дома – на что обращать внимание?

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.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым роторомС фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым роторомС фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

  • Продолжительный;
  • Кратковременный;
  • Периодический;
  • Повторно-кратковременный;
  • Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Конструкция асинхронных двигателей

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две большие группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами. Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надежны в эксплуатации, имеют жесткую механическую характеристику, т. е. при изменении нагрузки от нуля до номинальной частота вращения машины уменьшается всего на 2-5%.

К недостаткам этих двигателей относятся трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, сравнительно небольшой пусковой момент, а также большие пусковые токи, в 5-7 раз превышающие номинальный. Указанными недостатками не обладают двигатели с контактными кольцами, однако конструкция ротора у них существенно сложнее, что ведет к удорожанию двигателя в целом. Поэтому их применяют в случае тяжелых условий пуска и при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Как указывалось, асинхронный электродвигатель имеет неподвижную часть — статор, на котором расположена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, и подвижную часть — ротор, в котором создается электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор и исполнительный механизм. Сердечники статора и ротора набираются из изолированных листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм. Изоляция листов статора — лаковая пленка, ротора — окалина, образующаяся в процессе прокатки. Листы статора и ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотки статора и ротора. Короткозамкнутая обмотка ротора обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе. Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с одной клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Ротор называется глубокопазным, если высота паза ротора превышает глубину проникновения магнитного поля (для обмоток из алюминия двигателей промышленной частотой 50 Гц эта глубина равна 15 мм). В тех случаях, когда требуются большие значения пускового момента, применяется ротор с двойной клеткой, причем пазы в этом случае могут чередоваться. Пазы могут быть закрытыми или полузакрытыми. Короткозамыкающие кольца в случае литых двойных клеток выполняются общими для обеих клеток.

Читайте также:  Обозначение кнопки на электрической схеме

В ряде случаев обмотка двухклеточного двигателя выполняется из цветных металлов на основе меди. Тогда внешняя обмотка изготавливается из латуни или специальной бронзы, благодаря чему обеспечивается относительно большое ее активное сопротивление. Эта обмотка выполняет функции пусковой в асинхронном двигателе. Другая обмотка ротора — внутренняя — изготовляется из меди с минимальным активным сопротивлением. Она выполняет функции основной рабочей обмотки двигателя. Обе обмотки могут иметь круглые пазы, однако внутренняя обмотка в ряде случаев выполняется прямоугольной или овальной формы. Короткозамыкающие торцевые кольца для обеих обмоток обычно изготовляются из меди.

Общий вид асинхронного двигателя: подшипники — 1 и 11, вал — 2, подшипниковые щиты — 3 и 9, ротор — 5, статор — 6, вентилятор — 10, колпак — 12, ребра — 13, лапы — 14

Существуют другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля), однако описанные выше являются наиболее характерными для асинхронных двигателей. Асинхронные двигатели с фазным ротором обычно имеют полузакрытые пазы на роторе, в которые укладывается трехфазная обмотка с тем же числом полюсов, что и обмотка статора. Предварительно изолированные стержни этой обмотки заводят с торцевой стороны ротора. Фазы роторной обмотки обычно соединяют в звезду и подводят к трем контактным кольцам, расположенным на валу двигателя и изолированным друг от друга. В цепь обмотки фазного ротора с помощью контактных колец и соприкасающихся с ним щеток можно подключать добавочные сопротивления или вводить дополнительную ЭДС. Это используется при необходимости изменения рабочих или пусковых характеристик двигателей. Кроме того, с помощью контактных колец и щеток можно замыкать обмотку ротора накоротко.

Для уменьшения износа щеток в ряде конструкций ротора двигателей имеются специальные щеткоподъемные приспособления. С помощью этих устройств по окончании пуска двигателя контактные кольца замыкаются накоротко, а щетки приподнимаются и не участвуют в работе. Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Схемы соединения обмоток.

В асинхронных трехфазных двигателях используются два способа соединения фаз обмоток между собой: в звезду и треугольник. Эти соединения могут выполняться как внутри машины — глухое соединение, так и вне двигателя — с помощью сменных перемычек на специальном щитке, установленном на корпусе машины. В первом случае к выводному щитку подводятся три вывода, во втором — шесть выводов (начала и концы фаз). Внешнее соединение фаз наиболее удобно с точки зрения ее эксплуатации. В таком случае начала и концы фаз обмоток могут свободно отсоединяться при необходимости и подключаться к испытательной аппаратуре.

Питающее напряжение.

Асинхронные двигатели общего назначения обычно выпускаются для работы на двух напряжениях, например 127/220, 220/380 и 380/660 В. При меньшем из каждых двух напряжений фазы двигателя соединяются в треугольник, а при большем — в звезду. При внешнем соединении фаз двигателя сравнительно просто можно подключить его к одному из указанных на щитке напряжений. Некоторые электродвигатели выпускаются на одно напряжение, в этом случае фазы соединены в звезду.

Электротехнические материалы.

Для магнитопроводов (сердечников) статора и ротора асинхронных двигателей общего назначения широко применяются холоднокатаные низколегированные электротехнические стали. Они выпускаются в рулонах (лентах) нужной ширины, что позволило автоматизировать процесс штамповки листов и уменьшить отходы. Для двигателей серии 4А мощностью до 15-20 кВт применяется холоднокатаная сталь марки 2013 (нелегированная), а для машин большей мощности — сталь марки 2212 (слаболегированная). Для двигателей старых серий (А, А2) применялась горячекатаная сталь марки 1211. Применение холоднокатаных сталей позволило снизить расход стали на 10-15 и массу конструктивных деталей на 5-7% .

Изоляционные материалы применяются для изоляции токоведущих проводов, расположенных в одном пазу (друг от друга) — витковая изоляция, проводов разных фаз между собой — междуфазовая изоляция, проводов от заземленных сердечников — корпусная изоляция. Толщина изоляции определяется рабочим напряжением двигателя, классом нагревостойкости изоляции, условиями эксплуатации двигателя. В зависимости от предельно допускаемой температуры изоляционные материалы подразделяются на классы нагревостойкости. В свою очередь класс нагревостойкости изоляции (витковой, междуфазовой, корпусной) и пропиточных составов определяет допустимые превышения температуры для других частей двигателя в соответствии с ГОСТ 183-74.

В соответствии с ГОСТ 8865-70 изоляционные материалы разделены на семь классов нагревостойкости — У, А, Е, В, F, Н, С. Для изоляции асинхронных двигателей общего назначения обычно применяются четыре класса Е, В, F, Н с допустимыми температурами изоляционного материала 120, 130, 155, 180 °С соответственно. Обмоточные провода изготовляются с эмалевой, эмалево-волокнистой или волокнистой изоляцией. Толщина изоляционного слоя у проводов с эмалевой изоляцией в 1,5- 3 раза меньше, чем у проводов с волокнистой изоляцией; эмалевая изоляция, кроме того, лучше проводит тепло и является более влагостойкой. Поэтому в двигателях современных серий применяются в основном провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ, ПЭТВМ (класс нагревостойкости В) и ПЭТВ, ПЭТ 155 (класс F). Провода ПЭТВМ и ПЭТМ разработаны для механизированной укладки обмоток. В двигателях напряжением 3 кВ и выше кроме указанных проводов применяются также провода со стекловолокнистой изоляцией марок ПСД и ПСДК. Диаметр изолированного провода при механизированной укладке всыпной обмотки не превышает 1,4-1,6 мм, при ручной укладке — до 1,8 мм.

Пазовая и междуфазовая изоляция.

В современных сериях двигателей широкое распространение получили композиционные материалы, представляющие собой сочетание полимерных пленок с различными гибкими электроизоляционными материалами на основе синтетических органических или неорганических волокон, причем указанные компоненты связаны между собой клеящими составами. Пленка принимает на себя основную электрическую и механическую нагрузки, в то время как другие компоненты выполняют функции армирующего материала, обеспечивающего необходимые технологические свойства композиции — жесткость, упругость, повышенную стойкость к механическим воздействиям и др.

Одной из важных функций волокнистых подложек является обеспечение надежной связи между поверхностями пазовой изоляции и прилегающими к ним катушками обмотки и сердечником за счет лучшей смачиваемости волокнистых материалов пропиточными составами по сравнению с пленками. Композиционные материалы обладают высокими механическими свойствами. Широко используются пленкосинтокартоны марок ПСК-Ф, ПСК-ЛП, состоящие из полиэтилентерефталатной пленки марки ПЭТФ, оклеенной с двух сторон бумагой из фенилонового или лавсанового волокна.

Для прокладок в лобовых частях применяют материалы с повышенным коэффициентом трения, такие, как пленкослюдопласт и пленкослюдокартон. Пропиточные и покровные составы. В двигателях современных серий широкое распространение нашли пропиточные составы без растворителей, что существенно уменьшило длительность процесса полимеризации, улучшило качество пропитки и теплопроводность изоляции. Для пропитки асинхронных двигателей современных серий применяются составы без растворителей марок КП-34, КП-50, КП-103. ЭКД-14, а также лаки с растворителями марок МЛ-92, ПЭ-933, КО-916К, КО-964Н. После пропитки и сушки на лобовую часть обмоток наносятся покровные составы для повышения стойкости обмотки к воздействию окружающей среды (пыль, масло, соляной туман, вредные примеси в воздухе и др.).

В качестве покровных составов применяют эмали ГФ92-ГС и ЭП91 (с растворителями) и компаунды КП-34, КП-50. Формы исполнения асинхронных двигателей определяются требованиями ГОСТ 2479-79 и разделяются на девять групп. Асинхронные двигатели серии 4А основного исполнения имеют четыре основные формы: IM 1081 — на лапах с двумя подшипниковыми щитами с одним цилиндрическим концом вала; IM 2081 — то же, что и IM 1081, но с фланцем на подшипниковом щите; IM 3081 — без лап с двумя подшипниковыми щитами, фланцем на подшипниковом щите и одним цилиндрическим концом вала со стороны привода; IM 9081 — встраиваемое исполнение с цилиндрической станиной (или без станины) с двумя подшипниковыми щитами и одним цилиндрическим концом вала со стороны привода. Как видно, условное обозначение двигателя по форме исполнения и способу монтажа состоит из латинских букв IM и четырехзначного числового индекса, первая цифра которого (от 1 до 9) определяет конструктивное исполнение, вторая и третья (от 00 до 99) — способ монтажа, четвертая (от 0 до 9) — условное обозначение конца вала. По степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущим или движущимися частями, находящимися внутри машины, и попадания твердых посторонних тел и воды внутрь машины также существуют различные формы исполнения. В соответствии с ГОСТ 17494-72 для защиты электрических машин могут применяться 15 исполнений от IP00 до IP56. Для асинхронных двигателей напряжением до 1 кВ приняты две основные степени защиты IP23 и IP44.

Для некоторых специальных исполнений двигателей, работающих в пыльных и влажных помещениях, могут быть приняты степени защиты IP54, IP56. Двигатели, работающие в закрытых помещениях, могут иметь степень защиты IP22. Обозначение по способу защиты состоит из латинских букв IP и двух цифр, первая из которых (от О до 6) указывает на степень защиты персонала от соприкосновения и попадания посторонних предметов внутрь машины, а вторая (от 0 до 8) — на степень защиты от попадания воды:
исполнение IP22 — защита двигателя от проникновения внутрь корпуса твердых тел диаметром более 12 мм и от капель воды, летящих под углом не более 15° к вертикали;
исполнение IP44 — защита от твердых тел размером более 1 мм и от брызг, летящих в любом направлении;
исполнение IP23 — то же, что и IP22, но с защитой от дождя (капли дождя под углом до 60° к вертикали).

Способ охлаждения двигателей регламентируется требованиями ГОСТ 20459-75. Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются с двумя способами охлаждения — с самовентиляцией (лопатки вентилятора расположены на роторе двигателя) типа IC01 и с наружным вентилятором, расположенным на валу двигателя, типа IC0141. Обозначение способа охлаждения состоит из латинских букв , следующей за ними прописной буквы, обозначающей вид хладоагента (если охлаждение воздушное — эта буква опускается), и цифрового индекса, который указывает тип цепи для циркуляции хладоагента и способ его перемещения. В ряде модификаций двигателей применяются способы охлаждения IC0041 (естественное без вентилятора) и IC06 (охлаждение от пристроенного вентилятора, приводимого во вращение собственным двигателем).

Принцип действия асинхронного двигателя

Электродвигатель предназначен для преобразования, с малыми потерями, электрическую энергию в механическую.

Предлагаем рассмотреть принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, трехфазного и однофазного типа, а также его конструкцию и схемы подключения.

Читайте также:  Что такое воздушный автоматический выключатель?

Строение двигателя

Основные элементы электродвигателя это – статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.

Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части мотора — роторе.

У двигателя переменного тока, ротор получает энергию не только за счет магнитного поля, но и при помощи индукции. Таким образом, они называются асинхронными двигателями. Это можно сравнить с вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели еще называют вращающимися трансформаторами. Чаще всего используется модели рассчитанные на трех фазное включение.

Конструкция асинхронного двигателя

Направление вращения электродвигателя задается правилом левой руки буравчика: оно демонстрирует связь между магнитным полем и проводником.

Второй очень важный закон – Фарадея:

  1. ЭДС наводиться в обмотке, но электромагнитный поток меняется во временем.
  2. Величина наведенной ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения электрического потока.
  3. Направление ЭДС противодействует току.

Принцип действия

При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.

Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.

Принцип работы асинхронного двигателя

Когда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.

Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.

Как вращается ротор

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.

Гребневые асинхронные двигатели

Когда напряжение питания низкое, возбуждение обмоток короткозамкнутого ротора не происходит. Это обусловлено тем что, когда число зубцов статора и число зубьев ротора равное, таким образом вызывая магнитную фиксацию между статором и ротором. Этот физический контакт иначе называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Данная проблема может быть преодолена путем увеличения количества пазов ротора или статора.

Подключение

Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.

Видео: Как работает асинхронный двигатель

Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.

Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет. Формула

QC = Uс I 2 = U 2 I 2 / sin 2

Схема: Подключение асинхронного двигателя

Из которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа, должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.

Аналогия с муфтой

Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления . Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.

Электромагнитная муфта сцепления

Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.

Достоинства и недостатки

Устройство асинхронного двигателя является практически универсальным, но так же, у данного механизма есть свои плюсы и минусы.

Преимущества асинхронных двигателей переменного тока:

  1. Конструкция простой формы.
  2. Низкая стоимость производства.
  3. Надежная и практичная в обращении конструкция.
  4. Не прихотлив в эксплуатации.
  5. Простая схема управления

Эффективность этих двигателей очень высока, так как нет потерь на трение, и относительно высокий коэффициент мощности.

Недостатки асинхронных двигателей переменного тока:

  1. Не возможен контроль скорости без потерь мощности.
  2. Если увеличивается нагрузка – уменьшается момент.
  3. Относительно небольшой пусковой момент.

5.2. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каж­дая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вто­ричной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнит­ной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рас­смотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.5.2). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Рис.5.2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором:

1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов;

5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкну-

той обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса // и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алю­миниевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехничес­кой стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными свар­ными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция Сердеч­ника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникаю­щих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продоль­ные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соеди­ненные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за преде­лами сердечника по его торцовым сторонам. Конструкция короткозамкнутого ротора приведена на рис.5.3.

Рис.5.3. Конструкция короткозамкнутого ротора: а — беличья клетка; б — ротор с медной стержневой обмоткой; в — ротор с алюминиевой литой обмоткой;

1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — замыкающие кольца;

4 — лопасти вентилятора

Обмотка статора асинхронного электродвигателя может быть соединена звездой или треугольником. Схемы соединения представлены на рис.5.4

Рис.5.4. Схемы соединения выводов трехфазных обмоток электродвигателя:

а — звезда; б — треугольник

5.3. Принцип образования вращающегося магнитного поля

Принцип образования вращающегося магнитного поля рассмотрим на при­мере простейшей трехфазной двухполюсной обмотки, каждая фаза которой состоит из одной секции, фазы обмотки соединены звездой (рис.5.5). При этом секции тока в фазных обмотках (по времени) относительно друг друга на электрический угол 120° (рис.5.5, б). Проведем ряд построений вектора МДС трехфазной обмотки Fm, соответствующих различным моментам времениt0, t1, t2,t3отмеченным на графике рис.5.5, б.

В момент времени tток в фазе А равен 0, в фазе В ток имеет отрица­тельное, а в фазе С — положительное направления. Эти направления тока отмечаем на рис.5.5, б в сечениях обмоток статора для данного момента времени. При этом следует помнить, что за положительное направление тока

Рис.5.5. Получение вращающегося магнитного поля: а — трехфазная обмотка статора;

б — вращение МДС; в — модель магнитного поля статора;

1-4 — обмотка фазы А; 3-6 — обмотка фазы В;

5—2 — обмотка фазы С (первая цифра — начало обмотки)

в фазной обмотке принимается направление тока от начала обмотки к ее концу и обозначается х, а, следовательно, отрицательное направление тока в обмотке соответствует направлению тока от конца к началу и обозначается •. Затем в соответствии с указанными на рис. 5, б направлениями токов определяем (по правилу буравчика) направление вектора МДС трехфазной обмотки статора (вектор Fmнаправлен вниз).

В момент времени t1т.е. через (1/3) Т, ток в фазе В равен нулю, в фазе А имеет положительное, а в фазе С — отрицательное направление. Сделав построения, аналогичные моменту времени t, заметим, что вектор МДС обмотки статора Fmпо сравнению с его положением в момент вре­мени tповернулся на 120° в направлении движения часовой стрелки.

Проведя аналогичные построения вектора МДС обмотки статора для момента t2и t3, видим, что каждый раз при переходе от одного момента времени к другому вектор Fmповорачивается на 120°, а за один период изменения токов в обмотках (с tдо t3) делает полный оборот (360°) и будет, таким образом, вращающимся. Вращающаяся МДС создает враща­ющееся магнитное поле, эквивалентное полю магнита N — S с индукци­ей Во (рис.5, в). Это поле вращается с синхронной частотойnкото­рая пропорциональна частоте переменного токаfи обратно пропорцио­нальна числу пар полюсов обмоток статора р, т.е.

,

Зависимость n от р и f представлена в табл.5.2.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...