Асинхронный двигатель.
3-х фазный асинхронный двигатель был изобретен русским инженером Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. Этот двигатель был с короткозамкнутым ротором.
Сегодняшние трёхфазные асинхронные двигатели преобразовывают электрическую энергию переменного тока в механическую. Область применения их довольно большая, поскольку они недорогие, простые в эксплуатации и очень надежные. Асинхронные двигатели занимают 90% от общего объема выпускаемых двигателей во всем мире. Данный электродвигатель изменил историю мировой промышленности.
Асинхронный двигатель представляет собой асинхронную машину, которая рассчитана на превращение электрической энергии в механическую энергию. Прилагательное «асинхронный» значит разновременный. Однако считается, что у двигателей такого рода частоты вращения ротора меньше, чем статора. Функционируют асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Конструкция асинхронного двигателя.
На представленном выше рисунке изображено:
- 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). Ротор (9), а также статор (10) – самые главные части асинхронного двигателя.
Как правило, статор обладает цилиндрической формой, а укомплектовывается он из листов стали. Обмотки из обмоточного провода размещаются в пазах сердечника статора. Оси обмоток смещены на 120 градусов в пространстве касательно друг друга. Концы обмоток могут скрепляться звездой либо треугольником. Это зависит от подаваемого напряжения.
Существует две разновидности ротора асинхронного двигателя:
- короткозамкнутый ротор – это сердечник, что собран из листов стали. Из-за заливки расплавленного алюминия в пазах такого сердечника появляются стержни, что накоротко запираются торцевыми кольцами. В двигателях с высокой мощностью алюминий могут заменить медью. Такое построение носит название «беличья клетка». Оно являет собой короткозамкнутую обмотку ротора (отсюда и название).
Фазный ротор обладает 3-х фазной обмоткой, что очень подобна обмотке статора. На практике концы обмоток скрепляются звездой, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. В цепь обмотки фазного ротора можно ввести добавочный резистор, ведь к кольцам подключены щетки. Такая возможность существует для того, чтобы можно было менять активное сопротивление в цепи ротора. Это в свою очередь оказывает снижение больших пусковых токов.
Принцип работы асинхронного двигателя.
Во время подачи напряжения к обмотке в любой из фаз создаётся магнитный поток. Он меняется параллельно частоте подаваемого напряжения. Данные магнитные потоки смещены на 120 градусов во времени и пространстве касательно друг друга. Вместе с тем, результирующий магнитный поток в действительности оказывается вращающимся.
В проводниках ротора результирующий магнитный поток статора при вращении создает ЭДС. В обмотке ротора есть замкнутая электрическая цепь, в которой возникает ток. Тем временем ток при взаимодействии с магнитным потоком статора образовывает пусковой момент двигателя, что стремится направить ротор в том направлении, в котором вращается магнитное поле статора. Когда он превысит значения тормозного момента ротора, ротор придет в действие. В этот момент возникает скольжение.
Скольжение являет собой величину, что показывает в процентном соотношении насколько n1 больше, чем n2.
- s – скольжение;
- n1- синхронная частота магнитного поля статора;
- n2 – частота вращения ротора.
Скольжение – весьма значимая величина, которая на начальном этапе равна единице, но с возрастанием частоты вращения n2 ротора разность частот n 1 -n 2 уменьшается. В результате в проводниках ротора снижается ток и ЭДС. Следовательно, происходит уменьшение вращающего момента. В ситуации, когда двигатель работает на валу без нагрузки (режим холостого хода) показатель скольжения минимален. Однако с возрастанием статического момента, скольжение увеличивается до критического значения (sкр — критическое скольжение). При превышении данного значения может произойти «опрокидывание двигателя», которое в конечном итоге приведет к нестабильной работе асинхронного двигателя. Диапазон значения скольжения – 0-1, а в номинальном режиме для таких двигателей общего назначения оно становит — 1 — 8 %.
Величины прекратят меняться когда возникнет равновесие между электромагнитным моментом, что заставляет ротор вращаться, и тормозным моментом, что создается нагрузкой на валу двигателя.
Таким образом, принцип работы асинхронного двигателя основывается на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, что наводятся данным магнитным полем в роторе. Хотя вращающий момент возникает лишь в той ситуации, когда присутствует разность частот вращения магнитных полей.
Двигатель асинхронный
Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины — наиболее распространённые электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Содержание
Конструкция
Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.
Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.
По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.
Короткозамкнутый ротор
Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.
Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.
Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.
Фазный ротор
Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведённую на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.
В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения(в первый момент времени) с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.
Скорость вращения поля статора
При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения 
[об/мин] которого связана с частотой сети 
[Гц] соотношением:
где — число пар магнитных полюсов обмотки статора.
Двигательный режим
Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора начинает течь ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:
.
Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:
Очевидно, что при двигательном режиме .
Генераторный режим
Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение .
При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо за счёт остаточной индукции машины и пусковых конденсаторов, параллельно подключенных по схеме «звезда» к фазам обмотки статора .
Асинхронный генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин,синхронных компенсаторов,батарей статических конденсаторов(БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательные источники небольшой мощности и как тормозные устройства.
Режим электромагнитного тормоза
Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза, и для него справедливы неравенства .
Способы управления асинхронным двигателем
Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем: