Где применяются асинхронные электродвигатели

Среди устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, несомненным лидером является трехфазный асинхронный двигатель – простой и надежный в эксплуатации агрегат. Благодаря своим качествам, он получил широкое применение в промышленности и других областях, где используются механизмы. Название двигателя связано с основным принципом его работы. У этих устройств магнитное поле статора вращается с частотой, превышающей частоту вращения ротора. Работа агрегата осуществляется от сети переменного тока.

Где применяются

Асинхронные двигатели активно используются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они потребляют примерно 70% всей энергии, предназначенной для преобразования электричества во вращательное или поступательное движение. Асинхронные двигатели зарекомендовали себя наиболее эффективными в качестве электрической тяги, без которой не обходятся многие технологические операции.

Асинхронные двигатели обладают множеством положительных качеств. Простая конструкция позволяет изготавливать наиболее дешевые и надежные устройства. Минимальные расходы по эксплуатации обеспечиваются отсутствием скользящего узла токосъема, что одновременно повышает и надежность агрегата.

Данный тип электродвигателей может быть трехфазным или однофазным, в зависимости от количества питающих фаз. В случае необходимости и при соблюдении определенных условий, трехфазный агрегат может питаться и работать от однофазной сети. Эти устройства применяются не только в промышленности, но и в бытовых условиях, а также на садовых участках или домашних мастерских. Однофазные двигатели обеспечивают работу и вращение вентиляторов, стиральных машин, небольших станков, водяных насосов и электроинструмента.

Для нормального действия асинхронного агрегата необходимо выбирать наиболее рациональную схему управления. Трехфазный двигатель будет работать в однофазном режиме при условии правильного расчета конденсаторов, выбора типа и сечения проводов, аппаратуры защиты и управления.

Устройство асинхронного двигателя

Понятие асинхронный означает не совпадающий по времени, неодновременный. В связи с этим, ротор такого двигателя вращается с частотой, меньшей чем частота вращения электромагнитного поля статора.

Подобное отставание называется скольжением и обозначается символом S в формуле, применяемой для расчетов:

• S = (n1 – n2)/n1 – 100%, где n1 является синхронной частотой магнитного поля статора, а n2 – частотой вращения вала.

Конструктивно, стандартный асинхронный электродвигатель включает в себя следующие элементы и детали:

• Статор с обмотками. Эту функцию также может выполнять станина, внутри которой помещается статор с обмотками.
• Короткозамкнутый ротор. Если используется фазный – он может называться якорем или коллектором.
• Подшипники различного типа – качения или скольжения. На двигателях повышенной мощности в передней части установлены крышки для подшипников с уплотнениями.
• Металлический или пластмассовый охлаждающий вентилятор, помещенный в кожух с прорезями для подачи воздуха.
• Подключение кабелей осуществляется с помощью клеммной коробки.

Данные конструктивные элементы могут незначительно изменяться, в зависимости от модификации электродвигателя.

Как уже отмечалось, асинхронные двигатели бывают трехфазными или однофазными. Первый вариант, в свою очередь, выпускается с короткозамкнутым или фазным ротором. Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому их следует рассмотреть более подробно.

Статор обладает круглой формой и собирается из специальных стальных листов, изолированных между собой. В результате, конструктивно образуется сердечник с пазами, в которые укладываются обмотки. Для этих целей используется обмоточный медный провод, изолированный лаком. В мощных агрегатах обмотки делаются в виде шины. При укладке они сдвигаются между собой на 120 градусов. Соединение осуществляется по схеме звезды или треугольника.

Конструкция самого короткозамкнутого ротора изготавливается в виде вала с надетыми на него стальными листами. Этот набор листов образует сердечник с пазами, заливаемые расплавленным алюминием. Равномерно растекаясь по пазам, алюминий образует стержни, края которых замыкают алюминиевые кольца.

Фазный ротор состоит из вала с сердечником и трех обмоток. С одного конца они соединяются звездой, а с другого – соединяются с токосъемными кольцами, на которые с помощью щеток подается электрический ток. Во время запуска образуется большой пусковой ток асинхронного двигателя. Его можно уменьшить путем добавления к фазным обмоткам нагрузочного реостата.

Принцип работы

Устройство и конструктивные особенности асинхронного двигателя определяют и принцип действия данного агрегата. Когда на обмотку статора подается напряжение, в ней образуется магнитное поле. Такая подача напряжения приводит к изменениям магнитного потока и всего магнитного поля статора. Измененные магнитные потоки поступают к ротору, приводят его в действие, после чего он начинает вращаться. Для того чтобы статор и ротор работали асинхронно, требуется, чтобы значения напряжения и магнитного потока были равны переменному току, используемому в качестве источника питания.

Сам двигатель работает следующим образом:

• Вращающееся магнитное поле воздействует на короткозамкнутую обмотку, специально приспособленную для вращения.
• Поле пересекает проводники роторной обмотки, индуктируя в них электродвижущую силу.
• Под воздействием силы в проводниках ротора начнется течение электрического тока, взаимодействующего с вращающимся магнитным полем. Это приводит к появлению электромагнитных сил, воздействующих на обмотку ротора.
• В сумме, действия приложенных сил вызывают появление вращающего момента, приводящего во вращение ротор в направлении магнитного поля.

Величина индуктированной ЭДС зависит от частоты пересечения проводников вращающимся магнитным полем. То есть, чем выше разница между n1 и n2, тем больше будет величина ЭДС. Ротор будет вращаться с частотой n2, которая всегда будет отставать от синхронной частоты поля статора n1. Эта разница между обеими частотами и будет частотой скольжения ∆n= n1- n2. Данное неравенство является необходимым условием появления электромагнитного вращающегося момента в асинхронном двигателе. Поэтому агрегат так и называется, поскольку вращение ротора происходит несинхронно с полем статора.

Что такое скольжение

Понятие скольжения представляет собой отношение частоты вращения к частоте поля. Данная величина S берется в процентном отношении от частоты вращения магнитного поля. В соответствии с формулой, рассмотренной ранее, частота вращения ротора, определяемая с помощью скольжения составит: n2 = n1 x (1 – S).

Ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, что и его магнитное поле. В свою очередь, направление вращения поля зависит от последовательности фаз трехфазной сети. Изменить направление вращения ротора возможно за счет изменения направления вращения поля, создаваемого статором. В этом случае изменяется порядок поступления импульсов тока к отдельным обмоткам. В случае необходимости может быть задано вращение по часовой или против часовой стрелки.

Важным моментом считается пуск асинхронного двигателя, при котором происходит пересечение обмотки ротора вращающимся магнитным полем. В результате, индуктируется большая ЭДС, создающая высокий пусковой ток. Подобное состояние компенсируется специальной нагрузкой, снижающей скорость вращения ротора.

Подписка на рассылку

Агрегат, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Эти машины могут применяться в бытовой технике (маломощные асинхронные двигатели) и в промышленности (краны и лебедки общепромышленного значения и прочее).

Рисунок 1. Классический пример трехфазного асинхронного электродвигателя – двигатель серии АИР Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели — они используются во всех сферах народного хозяйства (станки и оборудование, автоматика, телемеханика и т. д.).

На сегодняшний день именно этот тип электрических машин наиболее распространен. Объясняется это простотой эксплуатации, надежностью этих машин, небольшим весом и удачными габаритными размерами.

Электродвигатель с короткозамкнутым ротором используется в электроприводах разных станков (металлообрабатывающих, грузоподъемных, ткацких, деревообрабатывающих), в вентиляторах, землеройных машинах, в лифтах, насосах, бытовых приборах и т.д.

Электродвигатель асинхронный с короткозамкнутым ротором позволяет значительно снизить энергопотребление оборудованием, которое он питает, обеспечить высокий уровень его надежности, увеличить срок службы. Совокупность этих характеристик, как правило, сразу положительно отражается на модернизации всего производства.

Основные виды и некоторые характеристики электродвигателя асинхронного однофазного и трехфазного

Сегодня самыми востребованными в разных отраслях промышленности и любого производства являются следующие виды машин:

• общепромышленные — применяются на производстве и в агропромышленном секторе;
• взрывозащищенные — предназначены для использования в отраслях промышленности взрывоопасной: химическая, добыча нефти, газовая и угледобывающая промышленность;
• электродвигатели крановые, подходящие для работы в составе любых поворотных и крановых механизмов.

Рисунок 2. Двигатель с фазным ротором — крановый серии МТF. Электродвигатели прочно вошли в современную промышленность. От их надежности и качества зависит все производство. Не важно, стиральная машина или ткацкий станок, складское оборудование или система вентиляции — работа многих машин невозможна без исправной работы электромотора. В этой связи важно не просто купить электродвигатель, например у надежного поставщика, но и неукоснительно соблюдать все указанные в сопроводительных документах условия эксплуатации. Для северного сурового климата, к примеру, требуются специальные двигатели, которые рассчитаны на эксплуатацию в условиях низких температур. Для эффективной работы в электродвигателях может использоваться встроенная температурная защита. Такое конструктивное решение позволяет отключить двигатель от сети, если температура обмоток или подшипников превысит норму, или включить дополнительные вентиляторы обдува.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором используются в электроприводе (с регулированием скорости оборотов), транспортерах, в подъемных механизмах, вентиляторных установках, компрессорах, нагнетающих ( жидкостных) насосах, различных мешалках( бетон, тесто), шаровые мельницы, дробильные установки, пилорамы, привод станков.

Контрольные вопросы для тестирования

Что называют машиной переменного тока ?

Перечислите режимы работы машин переменного тока.

По каким показателям можно определить режим работы асинхронной машины ?

Что называют электромагнитным моментом? Единицы измерения.

Как направлен вектор магнитной индукции катушки с током? Привести рисунок.

Каким образом электрическая энергия потребляемая АД из сети преобразуется в механическую энергию вращения ротора?

Что называют числом пар полюсов машины ?

Принцип действия однофазных АД ( с пусковой обмоткой

Принцип действия однофазных ( 2-х обмоточных ) АД с фазосдвигающим конденсатором. ?

Тема № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цели работы:1) ознакомиться с устройством и принципом действия, пуском в ход и способами регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения;

2) изучить основные характеристики двигателя и методику их снятия.

Работа выполняется на универсальном стенде (рис.47). В качестве нагрузки двигателя постоянного тока М1 используется трехфазный асинхронный двигательМ2, работающий в режиме динамического тормоза. Чтобы асинхронный двигатель функционировал как тормоз, его статорная обмотка питается постоянным током от мостового выпрямителя, включенного во вторичную цепь автотрансформатораТ. Вращая движок автотрансформатора, устанавливают ток тормозаи, тем самым, задают необходимый тормозной момент на валу двигателя. Для измерения тока тормоза используется амперметрРА1. Автотрансформатор включается в сеть переменного тока выключателемQ1.

В цепь якоря исследуемого двигателя М1 включен пусковой реостат, в цепь обмотки возбуждения – регулировочный реостати амперметрРА3, измеряющий ток возбуждения. Двигатель включается в сеть постоянного тока выключателемQ₂. Напряжение сетиUизмеряется вольтметромPV, а ток двигателя– амперметромРА4.

Электрическая цепь стенда представлена на рис. 46. Частота вращения двигателя измеряется тахометром, не показанном на схеме. Шкала данного прибора отградуирована в об/мин (с коэффициентом 2/3).

Вопрос 1.Объяснить устройство и принцип действия двигателя параллельного возбуждения.

Ответ1:Двигатель постоянного тока служит для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию. Двигатель параллельного возбуждения, состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. Конструкция и электрическая схема соединения представлена на рис.48 и рис.49 соответственно.

Статор представляет собой стальной корпус – станину, на внутренней цилиндрической поверхности которого укреплены сердечники полюсов с полюсными наконечниками. На сердечники надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения, подключенную к источнику постоянного тока. Обмотка возбуждения расположена на главных (основных) полюсах и создает основной магнитный поток двигателя. Кроме главных полюсов на станине могут быть дополнительные полюса, предназначенные для улучшения коммутации.

Ротор состоит из якоря и коллектора, которые крепятся на одном валу и в механическом отношении составляют одно целое. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали для снижения магнитных потерь. В его пазах уложена обмотка, выполненная из отдельных секций соединенных между собой и с коллекторными пластинами.

Коллектор представляет собой цилиндр, составленный из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. На коллектор накладываются неподвижные графитовые (медно-графитовые) щетки, посредством которых осуществляется соединение обмотки якоря с источником постоянного тока. Коллектор и щетки предназначены для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности (например, северного полюса) в зону полюса другой полярности – (южного полюса). Благодаря этому сохраняется неизменным направление вращения якоря.

При подключении двигателя к источнику постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря появляются токи (и) В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения, возникает сила Ампера и, соответственно, электромагнитный момент вращения:

,

где – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя;– ток якоря;– магнитный поток машины.

Полезный вращающий момент на валу двигателя Мменьше электромагнитного момента на величину потерь холостого хода, обусловленного механическими и магнитными потерями.

.

В установившемся режиме момент вращения равен тормозному моменту

.

При вращении якоря его проводники пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС , где– частота вращения якоря;– величина постоянная для данной машины.

Так как ЭДС направлена против тока якоря, то ее называют противо-ЭДС.