Устройство и принцип действия асинхронных двигателей

Как это устроено
нет комментариев

Асинхронным двигателем называют устройство, предназначенное для превращения электрической энергии в механическую. Асинхронным именуют потому, что процессы внутри него протекают неодновременно: частота вращения ротора постоянно опережает частоту вращения магнитного поля, образуемого статором. Рассмотрим подробнее принцип действия и конструкцию машины, а также ее отличия от синхронного собрата.

Погружаемся в теорию


Работа электродвигателя переменного тока основана на свойстве магнитного поля, заключающемся во взаимодействии с другими полями. Так, если первое поле содержится внутри второго, вращающегося вокруг своей оси, то оно тоже начнет вращаться. Это явление доказывается опытным путем.

2

Дугообразный магнит укреплен так, чтобы его можно было приводить в движение с помощью ручки. Между северным и южным полюсом помещается цилиндр, выполненный из меди. Он может вращаться.

Если крутить ручку, то магнит начнет обращаться вокруг своей оси. Поэтому магнитный поток, проходящий через цилиндр, будет меняться. А это главное условие для образования вихревых токов внутри самого цилиндра. А электрический ток всегда создает вокруг магнитное поле. Поля магнита и цилиндра начинают взаимодействовать друг с другом, результатом чего становится вращение этого цилиндра в том же направлении, что и подковообразный магнит.

Так как вращение цилиндра – результат воздействия вращающегося магнитного поля, то он будет отставать на некоторую величину, которую называют скольжением. Оно рассчитывается по формуле (выражается в процентах):

3

Где s – скольжение, n – скорость вращения постоянного магнита (называют синхронной), n0 – медного цилиндра (называют асинхронной). Именно разница в этих скоростях – необходимое условие для работы электродвигателя.

Конструкция

Проделанный опыт демонстрировал вращение цилиндра за счет вращения постоянного магнита. Поэтому конструкция еще не имеет права называться электродвигателем. Надо изменить ее так, чтобы магнитное поле, необходимое для вращения ротора, создавалось электричеством. И это возможно при использовании трехфазного тока.

Асинхронная машина снабжается:

  • Статором;
  • Ротором;
  • Осью, на которой сидит ротор.

4

На рисунке внешнее кольцо – это железный статор электродвигателя, состоящий из корпуса со станиной и железного сердечника. На его полюсах размещаются три обмотки (Н – начало, К – конец). Между двумя соседними намотками соблюдается угол – 120 градусов. Каждая из них подключена к одной из фаз трехфазного тока.

Внутри статорного кольца – металлический цилиндр, посаженный на ось, относительно которой он может вращаться. Это ротор асинхронного мотора. Он может быть короткозамкнутым или фазным.

Короткозамкнутый ротор

Это устройство выглядит как сердечник, собранный из листовой стали. Он имеет пазы, в которых находится алюминий, залитый в растопленном состоянии. Металл образует стержни, замыкающиеся торцевыми кольцами накоротко (отсюда и название). С короткозамкнутым ротором сравнивают беличью клетку, потому что у них прослеживается внешнее сходство.

Важно! Для электродвигателей с короткозамкнутым ротором высокой мощности вместо алюминия заливают медь.

5

Фазный ротор

Конструкция асинхронной машины с фазным ротором сложна. Однако у них есть преимущество перед короткозамкнутым устройством. Заключается оно в возможности плавно менять скорость вращения.

6

Фазным ротором представляется вал, укрепленный на шихтованном сердечнике, имеющем трехфазную обмотку. Этим он напоминает конструкцию статора. Начала намоток соединяют по схеме звезда, а концы объединяются с помощью контактных колец. Они изолируются между собой и располагаются на роторном вале.

Чтобы кольца соприкасались с фазным ротором, для каждого из них предусмотрена пара щеток, изготовленных из металла и графита. Они закрепляются в специальных держателях, которые прижимают их к кольцам с помощью пружин.

В случае с фазным ротором трехфазная намотка подсоединяется к пусковому реостату. Поэтому в роторной электроцепи образуется дополнительное сопротивление.

Принцип действия

Понять принцип действия асинхронного двигателя поможет график с рисунком, изображенные ниже.

7

На графике выделено 4 положения (а, б, в и г), каждому из которых соответствует схема (А, Б, В или Г). Линии связаны с фазным током: l1 – первая, l2 – вторая, l3 – третья фаза. Во время работы электродвигателя происходят следующие изменения:

  • Положение а. Значение тока в l1 – 0, в l2 – отрицательное число, в l3 – положительное. На схеме направление, в котором будет течь ток, указано с помощью стрелок. Будет создан магнитный поток, направленность линий которого можно установить, применив правило правой руки, образует южный полюс (обозначен Ю) на конце полюса 3-ей катушки внутри статора. При этом на 2-ой катушке будет создан северный полюс (С). Это говорит о том, что линии магнитного потока направляются через ротор от 2-ой обмотки к 3-ей.
  • Положение б. Значение переменного тока в l2 – 0, в l1 – положительное число, в l3 – отрицательное. Возникший магнитный поток на 1-ой катушке статора создает южный полюс, а на 3-ей – северный. Поэтому он меняется направление ровно на 120 градусов и направляется через ротор от 3-ей обмотки к 1-ой.
  • Положение в. Значение переменного тока в l3 – 0, в l2 – положительное число, в l1 – отрицательное. Теперь северный полюс соответствует 1-ой катушке, а южный – 2-ой. Это значит, что магнитный поток снова повернулся на 120 градусов и теперь проходит через ротор от 1-ой обмотки ко 2-ой.
  • Положение г. Все значения переменного тока на каждой из фаз, а также направление магнитного потока соответствуют положению а.

Видно, что работа асинхронного электродвигателя возможна благодаря изменению направления переменного тока в статорных обмотках. Каждому периоду изменения тока будет соответствовать один оборот магнитного потока, который будет заставлять ротор вращаться. И неважно, как соединены обмотки, звездой или треугольником.

Однофазные асинхронные машины

Обычно асинхронная машина питается от трехфазного переменного тока. Но был разработан однофазный мотор. Он менее распространен, потому что обладает малой мощностью и требует дополнительной силы для разгона.

Устройство однофазного электрического двигателя включает в себя одну рабочую обмотку. Потому он и называется – однофазный. Но по сути это двухфазная машина, которая работает благодаря тому, что во время пуска в ход в цепь включается вспомогательная, или пусковая обмотка.

Однофазный мотор оснащается короткозамкнутым ротором. Это одно из преимуществ – простота конструкции. Однако у однофазного электродвигателя есть недостаток – это отсутствие пускового момента и малый КПД.

Течение однофазного переменного тока вызывает магнитное поле, состоящее из двух: их амплитуды равны, однако вращаются они в противоположных направлениях. С покоящимся ротором эти поля создают одинаковые по модулю пусковые моменты. Но поскольку их знаки разные, результирующий пусковой момент равен нулю. Поэтому ротор остается неподвижен. Но если заставить его вращаться с применением дополнительной силы, между двумя полями образуется скольжение – разность моментов. Будет преобладать тот момент, который направлен в сторону вращения ротора. Тогда принудительное приведение его в движение можно прекратить: дальнейшая работа обеспечивается скольжением.

Отличия асинхронных и синхронных моторов

Асинхронные машины переменного тока в большинстве снабжены не фазным, а короткозамкнутым ротором. Их отличия от синхронных двигателей:

  • Малая мощность;
  • Простое устройство;
  • Низкая стоимость;
  • Увеличенный срок работы за счет отсутствия щеток;
  • Сложная регулировка скорости (но нет надобности в применении преобразователей).

Модели с фазным ротором от короткозамкнутых отличаются сложным устройством, но возможностью плавно регулировать скорость. Их стоимость и мощность выше, однако щетки часто изнашиваются.

Электрические двигатели асинхронного типа нашли широкое применение в сетях как трехфазного, так и однофазного питания. Они используются в промышленности и в быту. Но только в качестве двигателя, в генераторном режиме лучшие показатели выдают синхронные машины.

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

[contentblock id=4]

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *