Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электродвигатель: виды и принцип работы

В наши дни электрооборудование выглядит совсем иначе, чем изобретение российского электротехника, но по-прежнему используются для превращения электрической энергии в механическую. Надежность в работе, простая конструкция и невысокая себестоимость были по достоинству оценены покупателями. Сегодня асинхронные двигатели — наиболее распространенный во всем мире тип моторов. Их используют для комплектации промышленного оборудования, бытовой техники и электроинструментов в девяти случаев из десяти.

Какие бывают виды асинхронных механизмов

Асинхронный мотор имеет самую простую конструкцию. Классическое устройство электродвигателя состоит из статора, а также ротора.

Статор выполнен в форме классического цилиндра. Для изготовления статора производители используют тонкие стальные листы, обмотка в пазах сердечника сделана из специального провода. Оси обмоток расположены друг к другу под углом 120°. Их концы соединяются по-разному — все зависит от допустимой величины напряжения. В одних случаях соединение напоминаем звезду, в других — треугольник.

В отличие от статора, роторы бывают нескольких типов. Производители классифицируют выпущенные моторы именно по типу ротора — виды асинхронных двигателей: с короткозамкнутым и фазным ротором. Давайте рассмотрим каждый их подробнее.

• Фазный — это ротор с трехфазной обмоткой, которая напоминает обмотку статора. Ее концы соединяются в форме звезды, края крепятся к контактным кольцам. К этим же кольцам присоединяются добавочные резисторы, которые меняют активное сопротивление в цепи и уменьшают большие пусковые токи.
• Короткозамкнутый ротор — сердечник, изготовленный из стальных листов. Для серийного производства, как правило, используется расплавленный алюминий, который заливается и образовывает стержни между торцевых колец. Конструкция ротора получила в обиходе название «беличья клетка», так как внешне напоминает бочку для грызунов. Когда заходит речь об изготовлении мощных двигателей, производители используют не алюминий, а медь.

Асинхронный электродвигатель: принцип работы

Напряжение подается на обмотку статора. В этот момент возникает магнитный поток, величина которого меняется с изменением частоты напряжения. Потоки сдвинуты во времени и пространстве по отношению друг к другу на 120°. Вращающим оказывается результирующий магнитный поток, который движется, тем самым создавая в проводниках ротора ЭДС. Обмотка ротора исполняет роль замкнутой электрической цепи, в ней появляется ток, который, взаимодействуя с потоками статора, создает пусковой момент. Мотор стремится повернуть ротор в направлении движения магнитного поля статора. В тот момент, когда он достигает значения тормозного момента ротора и превышает его, ротор начинает вращаться, вызывая скольжение.

Что такое скольжение? Это величина, которая показывает нам, насколько синхронная частота магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора.

n₁ — синхронная частота магнитного поля статора, n₂ — ротора.

Почему так важно скольжение? Его используют для характеристики асинхронных электродвигателей, ведь изначально скольжение равно единице, но по мере роста n₁ относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше. В результате этого, падает ЭДС и ток в проводниках ротора, что в свою очередь приводит к уменьшению вращающего момента. Если провести анализ, в состоянии холостого хода, в тот момент, когда мотор работает без нагрузки на валу, показатель скольжения минимален. Как только возрастает статический момент, скольжение растет до величины S_kp — критического скольжения. Этот показатель очень важен, ведь как только будет превышена точка критического скольжения, асинхронные двигатели перестают стабильно работать. Значение скольжения колеблется в пределах от нуля до единицы, асинхронных моторов универсального назначения в номинальном режиме до 8 %. Как только наступает равновесие между электромагнитным и тормозным моментом изменение величин прекратится.

Если говорить простыми словами, принцип работы мотора состоит во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Вращающий момент возникает только тогда, когда появляется разность частот вращения магнитных полей.

Контрольные вопросы к экзамену

ч.2 и ч.3
(Основы электропривода и промышленная электроника)

1. Основные понятия об электроприводе (блок-схема, уравнение движения электропривода)
2. Вращающееся электромагнитное поле.
3. Принцип действия асинхронного двигателя.
4. ЭДС обмотки статора для асинхронного двигателя.
5. Частота тока ротора, скольжение, ЭДС обмотки ротора.
6. Синхронная частота вращения вала асинхронного двигателя, скольжение. Понятие асинхронизма.
7. Ток и эквивалентная схема фазы обмотки ротора.
8. Намагничивающие силы обмоток статора и ротора. Ток обмотки ротора.
9. Электромагнитная мощность и потери в асинхронном двигателе.
10. Момент, развиваемый асинхронным двигателем.
11. Схема замещения асинхронного двигателя.
12. Механическая характеристика асинхронного двигателя.
13. Практическое построение механической характеристики асинхронного двигателя.
14. Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
15. Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором.
16. Определение пусковых параметров асинхронного двигателя.
17. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.
18. Тормозные режимы работы асинхронного двигателя.
19. Энергетические показатели асинхронного двигателя (n,cosu).
20. Однофазные асинхронные двигатели.
21. Принцип действия двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
22. Выражения Е и М для двигателя постоянного тока.
23. Реакция якоря, ее негативное влияние на работу двигателя постоянного тока, способы компенсации реакции якоря.

24. Двигатель постоянного тока. Виды возбуждения, их особенности.
25. Электрическая схема включения двигателя постоянного тока. Уравнение электрического равновесия цепи якоря двигателя.
26. Естественные характеристики двигателя постоянного тока.
27. Пуск двигателя постоянного тока.
28. Регулирование частоты вращение двигателя постоянного тока.
29. Тормозные режимы двигателя постоянного тока.
30. Потери в двигателе постоянного тока и КПД.
31. Универсальный коллекторный двигатель.
32. Конструкция и принцип действия синхронного двигателя. Механическая и угловая характеристики.
33. Достоинства и недостатки синхронного двигателя. Пуск синхронного двигателя.
34. Конструкция и принцип действия шагового двигателя, управление двигателем.
35. Переходные процессы и выбор мощности двигателя.
36. Конструкция асинхронного двигателя. Разновидность, назначение и исполнение отдельных элементов конструкции.
37. Конструкция двигателя постоянного тока. Назначение и исполнение отдельных элементов конструкции.
38. Простейшая схема управления асинхронным двигателем, её основные элементы и их назначение.
39. Реверсивная схема управления асинхронным двигателем. Механическая характеристика.
40. Схема управления пуском асинхронного двигателя с фазным ротором.
41. Схема управления торможением асинхронного двигателя.
42. Схема управления асинхронным двигателем в функции пути.
43. Схема управления асинхронным двигателем в функции скорости.
44. Схема управления асинхронным двигателем в функции времени.
45. Простейшая схема управления двигателем постоянного тока, её основные элементы и их назначение.
46. Реверсивная схема управления пуском двигателя постоянного тока.
47. Схема управления пуском двигателя постоянного тока.
48. Схема управления торможением двигателя постоянного тока.
49. Схема управления двигателем постоянного тока в функции пути.

50. Схема управления двигателей постоянного тока в функции скорости.
51. Схема управления двигателем постоянного тока в функции времени.
52. Практическая блок-схема управления современным электроприводом.
53. Принцип действия биполярного транзистора, основные параметры и характеристики.
54. Принцип действия полевого транзистора, основные параметры и характеристики.
55. Принцип действия полупроводникового вентиля, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
56. Принцип действия тиристора, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
57. Принцип действия стабилитрона, основные параметры и характеристики. Схемы применения.
58. Преобразователи (выпрямители, инверторы, конверторы, импульсные). Назначение, схемы,
диаграммы.
59. Однополупериодная и мостовая схемы выпрямления. Диаграммы, основные параметры, достоинства и недостатки.
60. Трехфазная мостовая схема выпрямления. Диаграмма, основные параметры.
61. Управляемый выпрямитель на тиристорах. Схема, диаграммы, основные характеристики.
62. Импульсный преобразователь на тиристорах. Схема, принцип действия, диаграммы, применение.
63. Индуктивный и емкостной фильтры. Схемы включения, особенности работы, диаграммы применение.
64. Параметрический стабилизатор. Схема, принцип действия, графоаналитический метод расчета.
65. Автономный резонансный инвертор. Схема, принцип действия, диаграммы область применения.
66. Усилители аналоговых сигналов. Определения, классификация, параметры, характеристики.
67. Обратные связи в усилителях. Воздействие обратной связи на параметры и характеристики усилителя.
68. Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Схема, принцип работы, назначение элементов схемы.
69. Графоаналитический расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе.
70. Режимы усиления транзистора. Диаграммы, функциональное применение режимов усиления.
71. Эмитерная стабилизация режима работы усилительного каскада на биполярном транзисторе. Схема, принцип действия.
72. Усилители постоянного тока. Определение, дрейф нуля и способы его компенсации.
73. Балансный (мостовой) усилитель постоянного тока. Схема, принцип действия, параметрические
ограничения применения схемы.
74. Усилители мощности. Схема, режим (класс) усиления, принцип действия, диаграммы.
75. Понятие об интегральных микросхемах. Операционный усилитель (ОУ). Определение, разновидности обратных связей.
76. Операционный усилитель (ОУ). Основные особенности, функциональные схемы применения.
77. Импульсные сигналы. Формы, параметры, достоинства. Дискретное слово.
78. Основные логические элементы и схемы.
79. Триггеры. Определение, RS-триггеры на логических элементах, синхронный триггер.
80. Т-триггер, MS-триггер и их диаграмма работы, условные обозначения. JК-триггер, D- триггер, их особенности и условные обозначения.
81. Цифровые счетчики импульсов. Определение, функциональные разновидности. Двоичный трехразрядный счетчик. Схема, диаграмма, условное обозначение, таблица переходов.
82. Регистры. Определение, схема, принцип действия, условное обозначение, разновидности, применение.
83. Дешифраторы. Определение, условные обозначения, таблица состояний дешифратора. Схема семисегментного дешифратора. Принцип действия, таблица состояний.
84. Компаратор. Определение, работа схемы простейшего компаратора на ОУ, его передаточная характеристика, условное обозначение, инвертирующий компаратор. Триггер Шмитта. Определение схема на ОУ, передаточная характеристика, условное обозначение, конвертирующий триггер Шмитта.
85. Мультивибратор на ОУ. Определение, схема, диаграммы, применение.
86. Таймер. Определение, схема управления нагрузкой в функции времени на ОУ, диаграммы.
87. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Определение, схема на ОУ, условное обозначение, аналитическая схема преобразования, применение.
88. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Определение, схема, принцип действия, диаграмма преобразования, применение.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

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

Принцип работы на примере асинхронного электродвигателя трехфазного тока

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

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

Преимущества и недостатки асинхронных электродвигателей

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

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

Асинхронные электродвигатели имеют и ряд недостатков:

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

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

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

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

Устройство и принцип работы трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и ротора. Три обмотки размещены в пазах на внутренней стороне сердечника статора асинхронного двигателя. Обмотка же ротора асинхронного двигателя не имеет электрического соединения с сетью и с обмоткой статора. Начало и концы фаз обмоток статора присоединяют к зажимам в коробке выводов по схеме звезда или треугольник.

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора, который бывает двух типов: фазный или короткозамкнутый. Обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя выполняется на цилиндре из медных стержней и называется «беличьей клеткой». Торцевые концы стержней замыкают металлическими кольцами. Пакет ротора набирают из электротехнической стали. В двигателях меньшей мощности стержни заливают алюминием. Фазный ротор и статор имеют трехфазную обмотку. Фазы обмотки соединяют звездой или треугольником и ее свободные концы выводят на изолированные контактные кольца.

Получение вращающегося магнитного поля

Обмотка статора асинхронного двигателя в виде трех катушек уложена в пазы расположенные под углом в 120 градусов. Начало и конца катушек обозначаются соответственно буквами A, B, C и X,Y,Z. При подаче на катушки трехфазного напряжения в них установятся токи Ia, Ib, Ic и катушки создадут собственное переменное магнитное поле. Ток в любой катушке положительный, когда он направлен от начала к ее концу и отрицательный при обратном направлении. Векторы намагничивающей силы совпадают с осями катушек, а их величина определяется значениями токов, направление результирующего вектора совпадает с осью катушки. Вектор результирующей намагничивающей силы поворачивается на 120 градусов сохраняя величину совпадает с осью соответствующей катушки. Таким образом за период, результирующее магнитное поле статора совершает оборот с неизменной скоростью. Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами наводимыми в проводниках ротора.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Совокупность моментов созданных отдельными проводниками образует результирующий вращающий момент двигателя, возникает электромагнитная пара сил, которая стремится повернуть ротор в направлении движения электромагнитного поля статора. Ротор приходит во вращение приобретает определенную скорость, магнитное поле и ротор вращаются с разными скоростями или асинхронно. Применительно к асинхронным двигателям, скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора.

Пуск асинхронных двигателей

В асинхронных двигателях с большим моментом инерции необходимо увеличение вращающего момента с одновременным ограничением пусковых токов — для этих целей применяют двигатели с фазным ротором. Для увеличения начального пускового момента в схему ротора включают трехфазный реостат. В начале пуска он введен полностью, пусковой ток при этом уменьшается. При работе реостат полностью выведен. Для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют три схемы: с реактивной катушкой, с автотрансформатором и с переключением со звезды на треугольник. Рубильник последовательно соединяет реактивную катушку и статор двигателя. Когда скорость ротора приблизится к номинальной, замыкается рубильник, он закорачивает катушка и статор переключаются на полное напряжение сети. При автотрансформаторном пуске по мере разгона двигателя, автотрансформатор переводится в рабочее положение, в котором на статор подается полное напряжение сети. Пуск асинхронного двигателя с предварительным включением обмотки статора звездой и последующим переключением ее на треугольник дает трехкратное уменьшение тока.

Изменение частоты вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя

Параллельные обмотки двух фаз образуют одну пару полюсов сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Последовательное соединение обмоток образует две пары полюсов, что дает возможность уменьшить скорость вращения в два раза. Для регулирования скорости вращения ротора изменением частоты тока используют отдельный источник тока или преобразователь энергии с регулируемой частотой выполненный на тиристорах.

Способы торможения двигателей

При торможении противовключением меняются два провода соединяющих трехфазную сеть с обмотками статора, изменяя при этом направление движения магнитного поля машины. При этом наступает режим электромагнитного тормоза. Для динамического торможения обмотка статора отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного тока. Неподвижное поле статора заставляет ротор быстро останавливаться. Асинхронные двигатели нашли широкое применение в промышленности. В строительных механизмах, на металлообрабатывающих станках, в кузнечно-прессовом оборудовании, в силовых приводах прокатных станов, в радиолокационных станциях и многих других отраслях.

Асинхронный двигатель — принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигатель — это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 — вал, 2,6 — подшипники, 3,8 — подшипниковые щиты, 4 — лапы, 5 — кожух вентилятора, 7 — крыльчатка вентилятора, 9 — короткозамкнутый ротор, 10 — статор, 11 — коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой«. В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье — асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение s — это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n₁ магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n₂, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n₂ ротора относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины s_кр — критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме — 1 — 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором составляют значительную часть семейства электрических двигателей переменного тока – преобразователей электромагнитной энергии от одно- или трехфазной сети в механическую энергию вращения вала двигателя.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором содержит две основные части: неподвижную и вращающуюся. Неподвижная часть – статор – состоит из сердечника той или иной конфигурации, одной или нескольких обмоток, уложенных в пазы сердечника и конструктивных деталей: станины, крепежных деталей и т.п. Подвижная часть – ротор – состоит из сердечника, короткозамкнутой обмотки, уложенной в его пазы, и конструктивных деталей, с помощью которых обеспечивается возможность вращения подвижной части относительно неподвижной: вала, опорных подшипников, крепежных деталей и т.п. Конструкция таких двигателей наиболее проста из всех видов электрических машин.

Модельный ряд асинхронных электродвигателей

Сводная таблица основных характеристик серий однофазных и трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором INNOVARI, INNORED:

Применение асинхронных двигателей

Предельная простота конструкции и дешевизна производства, а также появление гибких в программировании преобразователей частоты определили практически повсеместное применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в промышленных электроприводах. Однофазные и трехфазные асинхронные двигатели находят применение:

• в металлургическом производстве: в автоматизированных приводах оборудования прокатных и волочильных станов, литейного производства;
• в металлообрабатывающем производстве: в автоматизированных приводах станков и обрабатывающих центров, подъёмно-крановом оборудовании, транспортерах и т.п.;
• в механосборочном производстве: в приводах манипуляторов, конвейеров, компрессорном оборудовании;
• в горнодобывающем производстве: в бурильном и экскаваторном оборудовании, транспортерах и др.;
• в насосном, вентиляционном, компрессорном оборудовании;
• в строительстве: в крановом оборудовании, оборудовании подготовки и транспортировки стройматериалов;
• в бытовой сфере: в ручном электроинструменте, прачечном, кухонном и офисном оборудовании.

Преимущества использования асинхронных двигателей

Привлекательными сторонами использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются:

• относительно высокие значения коэффициента мощности (cos φ) и коэффициента полезного действия (η);
• жесткая механическая характеристика (малы изменения скорости при колебаниях нагрузки);
• высокие значения пускового и максимально допустимого момента на валу двигателя.

При этом имеет место предельная простота конструкции и обусловленная этим надежность в эксплуатации. Основными элементами, определяющими отказы асинхронных короткозамкнутых двигателей, являются опорные подшипники вала двигателя и электрическая изоляция обмоток. К основным факторам разрушения изоляции обмоток относится вибрация и перегрев обмоток, а также агрессивность внешней среды. Факторы разрушения подшипников: вибрации и перекос нагрузок, агрессивность внешней среды и паразитные токи через станину и вал двигателя, способствующие эрозии дорожек и тел качения. Эти недостатки присущи всем видам электрических машин, но в случае асинхронных короткозамкнутых двигателей простота конструкции и обеспечение условий эксплуатации сводит их влияние к минимуму.

Принцип работы асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором

В пазах статора пространственно симметрично уложена трехфазная обмотка. Принцип работы асинхронного двигателя основан на свойстве таких обмоток, заключающемся в следующем: при питании фаз обмотки токами, сдвинутыми по времени на электрический угол, в градусах равный пространственному углу сдвига фаз обмотки, внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Частоту вращения такого поля принято называть синхронной. За один период изменения тока частотой f поле поворачивается на электрический угол 360°, соответствующий двум полюсным делениям. Поэтому скорость вращения поля (синхронная скорость) n_с = f/p (об/сек), где p – число пар полюсов обмотки. Вращающийся магнитный поток в пространстве статора пересекает витки обмотки ротора. При этом он индуцирует в обмотке ротора электродвижущую силу, под действием которой в обмотке начинает протекать ток. Частота и сила тока зависит от разности скоростей синхронной n_с и самого ротора n. Относительную разницу этих скоростей принято называть скольжением S=(n_с–n)/n_с. При номинальном режиме работы величина скольжения лежит в пределах 0,03…0,05. По мере увеличения нагрузки на валу двигателя скольжение возрастает, поскольку возрастает отставание ротора от магнитного потока. Ток ротора так же создает свой вращающийся магнитный поток, который, векторно складываясь с потоком статора, создает внутреннее магнитное поле машины. В результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем машины возникает вращающий электромагнитный момент, поддерживающий вращение ротора и приводящий в движение нагрузку электродвигателя. При движении ротора с синхронной скоростью исчезнет индуцируемая электродвижущая сила и ток в обмотке ротора, исчезнет и вращающий момент. Таким образом, ротор всегда движется со скоростью, меньшей синхронной.

В однофазных асинхронных двигателях обмотка статора состоит из двух пространственно сдвинутых фаз и запитывается однофазным напряжением. Для получения сдвига фаз токов в обмотках последовательно или параллельно одной из них включается фазосдвигающий элемент – чаще всего, конденсатор. Однофазные асинхронные двигатели, как правило, имеют худшие по сравнению с трехфазными двигателями характеристики, однако, в ряде случаев, эти недостатки перекрываются преимуществами, возникающими при возможности питания от однофазной сети.

Обмотка, уложенная в пазах статора, может быть многополюсной. В этом случае переключение обмоток на разное число пар полюсов используется для дискретного регулирования скорости вращения электродвигателя.

Асинхронные электродвигатели: схема, принцип работы и устройство

Асинхронный электродвигатель – это электрический агрегат с вращающимся ротором. Скорость вращения ротора отличается от скорости, с которой вращается магнитное поле статора. Это – одна из важных особенностей работы агрегата, так как если скорости выровняются, то магнитное поле не будет наводить в роторе ток и действие силы на роторную часть прекратится. Именно поэтому двигатель называется асинхронным (у синхронного показатели скоростного вращения совпадают).

В данной статье мы сфокусируемся на том, что представляет собой схема работы такого двигателя и – самое главное, насколько она эффективна при его эксплуатации.

Устройство и принцип действия

Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.

Относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. В установившемся режиме скольжение невелико: 1-8% в зависимости от мощности.

Асинхронный двигатель

Подробнее о принципах работы асинхронного электродвигателя – в частности, на примере агрегата трехфазного тока, вы можете прочесть здесь, на сайте, в одном из наших материалов. Далее же мы разберем, какие бывают разновидности асинхронных электрических машин.

Виды асинхронных двигателей

Можно выделить 3 базовых типа асинхронных электродвигателей:

• 1-фазный – с короткозамкнутым ротором
• 3-х фазный – с короткозамкнутым ротором
• 3-х фазный – с фазным ротором

Схема устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

То есть, двигатели классифицируются по количеству фаз (1 и 3) и по типу ротора – с короткозамкнутым и с фазным. При этом число фаз с установленным типом ротора никак не взаимосвязано.

Ещё одна разновидность – асинхронный двигатель с массивным ротором. Ротор сделан целиком из ферромагнитного материала и фактически представляет собой стальной цилиндр, играющий роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Такой вид двигателя очень прочный и обладает высоким пусковым моментом, однако в роторе могут возникать большие потери энергии, а сам он может сильно нагреваться.

Какой ротор лучше, фазный или короткозамкнутый?

• Более-менее постоянная скорость вне зависимости от разных нагрузок
• Допустимость кратковременных механических перегрузок
• Простая конструкция, легкость пуска и автоматизации
• Более высокие cos φ (коэффициент мощности) и КПД, чем у электродвигателей с фазным ротором

• Трудности в регулировании скорости вращения
• Большой пусковой ток
• Низкий мощностной коэффициент при недогрузках

• Высокий начальный вращающий момент
• Допустимость кратковременных механических перегрузок
• Более-менее постоянная скорость при разных перегрузках
• Меньший пусковой ток, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором
• Возможность использования автоматических пусковых устройств

• Большие габариты
• Коэффициент мощности и КПД ниже, чем у электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Какой двигатель лучше выбрать?

Асинхронный или коллекторный? Синхронный или асинхронный? Сказать однозначно, что определенный тип двигателя лучше, точно нельзя. В пользу асинхронных моделей говорят их следующие преимущества.

• Относительно небольшая стоимость
• Низкие эксплуатационные затраты
• Отсутствие необходимости в преобразователях при включении в сеть (только для нагрузок, не нуждающихся в регулировании скорости)
• Отсутствие потребности в дополнительном источнике питания – в отличие от синхронных аналогов

Тем не менее, у асинхроников есть недостатки. А именно:

• Малый пусковой момент
• Высокий пусковой ток
• Отсутствие возможности регулировки скорости при подключении к сети
• Ограничение максимальной скорости частотой сети
• Высокая зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети
• Низкий мощностной коэффициент – в отличие от синхронных агрегатов

Тем не менее, все перечисленные недостатки можно устранить, если питать асинхронный двигатель от статического частотного преобразователя. Кроме того, если соблюдать правила эксплуатации и не перегружать агрегаты, то они исправно прослужат длительный срок.

Но даже несмотря на то, что синхронные машины обладают довольно конкурентными преимуществами, большинство двигателей сегодня – именно асинхронные. Промышленность, сельское хозяйство, ЖКХ и многие другие отрасли используют именно их за счет высокого КПД. Но коэффициент полезного действия может значительно снижаться за счет таких параметров, как:

• Высокий пусковой ток
• Слабый пусковой момент
• Рассинхрон между механическим моментом на валу привода и механической нагрузкой (это провоцирует высокий рост силы тока и избыточные нагрузки при запуске, а также снижение КПД при пониженной нагрузке)
• Невозможность точной регулировки скорости работы прибора

Другими факторами, от которых зависит КПД асинхронного электродвигателя, являются:

• степень загрузки двигателя по отношению к номинальной
• конструкция и модель
• степень износа
• отклонение напряжения в сети от номинального.

Как избежать снижения КПД?

• Обеспечение стабильного уровня загрузки – не ниже 75%
• Увеличение мощностного коэффициента
• Регулировать напряжение и частоту подаваемого тока

Для этого используются:

• Частотные преобразователи – они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения
• Устройства плавного пуска – они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение, как одни из факторов, из-за которых падает КПД

Итак, асинхронный двигатель имеет довольно широкую область использования и применяется во многих хозяйственных и производственных сферах деятельности. У нас, в компании РУСЭЛТ, представлен широкий выбор электродвигателей данного типа, приобрести который вы можете по ценам, которые ощутимо выгоднее, чем у конкурентов.