Теория асинхронного электродвигателя: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

определение, устройство и принцип работы, использование и подключение

Асинхронный двигатель (определение) – это вид машин, используемый для превращения электроэнергии в механическую силу. А слово “асинхрон” указывает на то, что действия происходят не одновременно. При этом предполагается, что у подобных моторов скорость хода электромагнитного поля статора изначально выше, чем у ротора. Работает машина от сети с переменным током.

Асинхронный двигатель – используется для превращения электроэнергии в механическую силу.

Как устроен асинхронный двигатель

Первая главная деталь в электромоторе называется статором, вторая – ротором. Статор сделан в форме цилиндра из крепкого листа нержавеющей стали. Внутри сердечника статора установлены обмотки из специальных проводов. Оси проводов укладываются под углом в 120°. Для работы на разных электросетях концы кабелей скрепляются в виде треугольника или звезды.

Роторы в асинхронном двигателе подразделяются на 2 типа:

1. Короткозамкнутый. Он является сердечником, в который заливается раскаленный металл. После этого в нем появляются железные стержни, замыкающиеся маленькими торцевыми колечками. Подобная схема конструкции именуется “беличьей клеткой”. В устройствах с высокой мощностью алюминий заменяется на медь.
2. С фазами. Мотор имеет толстую трехфазную обмотку, которая почти не отличается от обмотки статора. В основном концы проводов скрепляются в форме звезды, а затем дополнительно закрепляются колечками. Используя щетку, которая подсоединена к обручам, к цепи можно подключить дополнительный резистор. Последний необходим для того, чтобы человек мог контролировать переменное сопротивление в фазе ротора.

Принцип работы устройства

Частями асинхронного двигателя являются статор и ротор.

Если начать подавать электрический ток на кабели статора, то двигатель начнет работать. Внутри машины начинается индукция, то есть в двигателе индуцируется мощное электромагнитное поле. Например, в технике с постоянным электрическим током необходимо создавать электромагнитное поле в якоре с помощью щеток.

По закону Фарадея, в устройстве, которое обладает короткозамкнутой обмоткой, проходит наведенный электроток, потому что цепочка замыкается по методу короткого замыкания. Данный ток, как и напряжение в статоре, приводит к появлению магнитного поля. Ротор устройства становится магнитом в статоре, обладающим вращающимся электромагнитным полем.

Статор не двигается, и поле перемещается внутри машины с нормальной скоростью, а в роторе индуцируется электроток, что делает из него мощный магнит. Благодаря этому подвижный ротор начинает двигаться благодаря полю статора. Почему происходит асинхронное вращение, можно понять, зная, что в момент объединения магнитные поля пытаются компенсировать недостатки друг друга.

Процесс скольжения может проходить не только с небольшим опозданием, но и с опережением. В первом случае мотор превращает электроэнергию в механическую (например, станок начинает двигаться). А во втором происходит генераторная работа, то есть движение деталей устройства вырабатывает электричество.

Созданный момент кручения полностью зависит от мощности постоянного напряжения для подпитки статора. Постоянно меняя частоту электрического тока и силу напряжения, человек может контролировать момент вращения, что и позволяет влиять на режим работы двигателя. Данная идея работает как на простых однофазных моторах, так и на трехфазных двигателях.

Виды асинхронных двигателей

С короткозамкнутым ротором

Есть 2 типа АДКР (двигателей с коротким замкнутым ротором):

• с ротором в виде клеток для белок;
• со специальными ободками.

С фазным ротором

Однофазный асинхронный двигатель подразделяется на следующие виды:

• с нескрепленными проводами;
• с запускающей деталью;
• с запускающим и функционирующим конденсаторами;
• с измененным расположением полюса.

Назначение и сфера применения АД

Без асинхронного двигателя не обходится большинство предприятий.

Электродвигатели, которые называются асинхронными, применяются почти во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они тратят около 70% электричества, которое предназначено для превращения мощности тока в поступательное движение. Работа асинхронного двигателя считается наиболее эффективной в качестве электрической тяги. Без подобных машин не обходится большинство предприятий.

У данных устройств есть несколько положительных сторон:

1. Простая и недорогая конструкция, поэтому производство машин не отнимает много времени и средств.
2. Низкие расходы по эксплуатации обеспечены отказом от скользящего узелка токосъема, что и повышает надежность мотора.
3. Доступность. Они продаются почти во всех магазинах по невысокой цене.

Данный вид машин бывает трехфазным или однофазным в зависимости от числа питающих частей. Если соблюдать правила техники безопасности и настроить электросеть, то трехфазный мотор может работать на однофазной сети.

Асинхронные устройства используются не только на производстве, но и в быту. Однофазные двигатели устанавливаются в вентиляторы, стиральные машины, насосы для воды и небольшие электрические инструменты.

Схемы подключения

Провода трехфазного двигателя подключаются либо по схеме треугольника, либо по звезде. При этом для последнего напряжение должно быть выше. Также перед установкой обмотки нужно определить момент на валу в моторе. Стоит обратить внимание на тот момент, что АДКР, подсоединенный различными методами к одной и той же цепи, требует разной мощности. Поэтому нельзя подключать двигатель, в котором предполагается использование только схемы треугольника, с принципом треугольника.

Иногда с целью снижения пускового тока люди коммутируют на этапе пуска контакты звезды в треугольник, но в таком случае падает и пусковой момент.

А для подсоединения трехфазного мотора к однофазной электросети профессионалы применяют разные фазосдвигающие детали, например конденсатор и резистор.

 

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ — Студопедия

Асинхронными называются двигатели, у которых частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного по­ля статора при прохождении в его обмотках трехфазного тока.

При прохождении в обмотках статора трехфазной машины трех­фазного тока возникает вращающееся магнитное поле, под дей­ствием которого в роторе индуктируется электрический ток. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами, индуктируемыми в проводниках ротора, возни­кает механическое усилие, действующее на проводник с током, ко­торое и создает вращающий момент, приводящий в движение ро­тор. При этом частота вращения ротора у асинхронного двигате­ля всегда меньше частоты вращения вращающегося магнитного поля статора за счет скольжения ротора, которое у современных двигателей составляет примерно 2—5%.

Таким образом асинхронный двигатель получает энергию, под­водимую к ротору вращающимся магнитным потоком (индуктив­но), в отличие от двигателей постоянного тока, у которых энер­гия подводится по проводам. Асинхронные двигатели в отличие от синхронных возбуждаются переменным током.

Асинхронный двигатель, как и синхронный, состоит из двух основных частей: статора с обмотками фаз, по которым про­ходит трехфазный переменный ток, и ротора, ось которого уло­жена в подшипниках. Ротор может быть короткозамкнутым и фазным (рис. 170).

Короткозамкнутый ротор (рис. 170, в) представляет собой ци­линдр, по окружности которого параллельно его оси расположены проводники, замкнутые между собой с обеих сторон ротора коль­цами (в виде беличьего колеса).

Асинхронный двигатель с таким ротором называется короткозамкнутым. К его недостаткам относятся: малый пу­сковой момент и большой ток в обмотках статора при пуске. Ес­ли хотят увеличить пусковой момент или уменьшить пусковой ток, применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (рис. 170, г). У этих двигателей на роторе размещают такую же обмотку, как и на статоре. При этом концы обмоток соединяют с контактными кольцами (рис. 170,

д), расположенными на валу двигателя. Контактные кольца при помощи щеток соединяются с пусковым реостатом.

Для пуска двигателя в питающую цепь включают статор, по­сле чего постепенно выводят из цепи ротора сопротивление пуско­вого реостата. Когда двигатель пущен, контактные кольца при помощи контактов пускателя замыкаются накоротко,

Продольный разрез асинхронного электродвигателя с фазным ротором

На рис. 171 показан продольный разрез асинхронного двигате­ля с фазным ротором. В корпусе 6 статора помещена обмотка 5, уложенная в пазы 4 стали статора. В пазах 2 стали ротора лежит обмотка 3 ротора.

Пуск в ход электродвигателя с короткозамкнутым ротором может быть осуществлен непосредственным включением пускателя па полное рабочее напряжение цепи (способ прямого пуска). Однако вследствие резкого возрастания индуктируемой э. д. с. и пускового тока напряжение в цели в пусковой момент снижается, что отрицательно сказывается на работе приводного двигателя и других потребителей, питающихся от этой цепи.

В случае большого пускового тока для его уменьшения асин­хронные двигатели с короткозамкнутым ротором обычно пускают двумя способами: переключением обмоток статора в момент пуска со звезды на треугольник, если обмотки статора при нормальной работе электродвигателя соединены треугольником, или вклю­чением электродвигателя через пусковой реостат (или авто­трансформатор) в цепи статора.

Остановка электродвигателя производится выключением контактора. После остановки электродвигателя пусковой реостат или автотрансформатор полностью вводится. Частоту вращения асинхронных двигателей регулируют, изменяя сопротивление реостата, включенного в цепь ротора (у электродвигателей с фазным ротором), и переключая статорные обмотки для изменения числа пар полюсов (у электродвигателей с короткозамкнутым ротором).

Изменение направления вращения асинхронных электродвига­телей достигается изменением направления вращающегося маг­нитного поля статора путем переключения любых двух из трех фаз обмотки статора (с помощью проводов, соединяющих зажимы статорной обмотки с цепью) при помощи обычного двухполюсного переключателя.

Асинхронные двигатели просты по конструкции, обладают по сравнению с двигателями постоянного тока меньшими размерами и массой, вследствие чего они значительно дешевле. Кроме того, они более надежны в эксплуатации, требуют меньшего внима­ния при обслуживании из-за отсутствия у них вращающегося кол­лектора и щеточного аппарата; они обладают более высоким к. п. д., аппаратура управления ими значительно проще и дешевле, чем у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели работают без искрообразования, которое возможно в машинах постоянного тока с нарушенной коммутацией, поэтому они более безопасны в пожарном отношении.

Перечисленными основными преимуществами асинхронных дви­гателей объясняется современная тенденция повсеместного внедрения переменного тока на морских судах. Следует отметить, что в промышленности асинхронные двигатели давно завоевали господствующее положение по сравнению с другими типами электродвигателей.

Асинхронные двигатели строятся мощностью от долей киловатта до многих тысяч киловатт. На судах морского флота в основном применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые выпускаются в водозащищенном и брызгозащищенном исполнении и рассчитаны па напряжение 380/220 В.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается принцип действия генератора постоянного тока?

2. Из каких основных частей состоит электрическая машина постоянного тока и каково их назначение?

3. Как разделяются машины постоянного тока по исполнению?

4. Каков принцип действия двигателя постоянного тока?

5. Каковы основные правила обслуживания электрических машин постоянного тока?

6. Какие машины называются синхронными и каков принцип их действия?

7. Для чего служат трансформаторы, каковы их устройство и принцип действия?

8. Какие двигатели называются асинхронными и каков принцип их действия?

9. Как подразделяются асинхронные двигатели по конструкции ротора?

Принцип работы асинхронного двигателя | Заметки электрика

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта http://zametkielectrika.ru.

Электрические машины переменного тока нашли широкое распространение, как в сфере промышленности (шаровые мельницы, дробилки, вентиляторы, компрессоры), так и в домашних условиях (сверлильный и наждачный станки, циркулярная пила).

Основная их часть является бесколлекторными машинами, которые в свою очередь разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные и синхронные электрические машины обладают одним замечательным свойством под названием обратимость, т.е. они могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном.

Но чтобы дальше перейти к более подробному их рассмотрению и изучению, необходимо знать принцип их работы. Поэтому в сегодняшней статье я расскажу Вам про принцип работы асинхронного двигателя. После прочтения данного материала Вы узнаете про электромагнитные процессы, протекающие в электродвигателях.

Итак, поехали.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

С устройством асинхронного двигателя мы уже знакомились, поэтому повторяться второй раз не будем. Кому интересно, то переходите по ссылочке и читайте.

При подключении асинхронного двигателя в сеть необходимо его обмотки соединить звездой или треугольником. Если вдруг на выводах в клеммнике отсутствует маркировка, то необходимо самостоятельно определить начала и концы обмоток электродвигателя.

При включении обмоток статора асинхронного двигателя в сеть трехфазного переменного напряжения образуется вращающееся магнитное поле статора, которое имеет частоту вращения n1. Частота его вращения определяется по следующей формуле:

• f — частота питающей сети, Гц
• р — число пар полюсов

Это вращающееся магнитное поле статора пронизывает, как обмотку статора, так и обмотку ротора, и индуцирует (наводит) в них ЭДС (Е1 и Е2). В обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции (Е1), которая направлена навстречу приложенному напряжению сети и ограничивает величину тока в обмотке статора.

Как Вы уже знаете, обмотка ротора замкнута накоротко, у электродвигателей с короткозамкнутым ротором, или через сопротивление, у электродвигателей с фазным ротором, поэтому под действием ЭДС ротора (Е2) в ней появляется ток. Так вот взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу Fэм.

Направление электромагнитной силы Fэм можно легко найти по правилу левой руки.

Правило левой руки для определения направления электромагнитной силы

На рисунке ниже показан принцип работы асинхронного двигателя. Полюса вращающегося магнитного поля статора в определенный период обозначены N1 и S1. Эти полюса в нашем случае вращаются против часовой стрелки. И в другой момент времени они будут находится в другом пространственном положении. Т.е. мы как бы зафиксировали (остановили) время и видим следующую картину.

Токи в обмотках статора и ротора изображены в виде крестиков и точек. Поясню. Если стоит крестик, то значит ток в этой обмотке направлен от нас. И наоборот, если точка, то ток в этой обмотке направлен к нам. Пунктирными линиями показаны силовые магнитные линии вращающегося магнитного поля статора.

Устанавливаем ладонь руки так, чтобы силовые магнитные линии входили в нашу ладонь. Вытянутые 4 пальца нужно направить вдоль направления тока в обмотке. Отведенный большой палец покажет нам направление электромагнитной силы Fэм для конкретного проводника с током.

На рисунке показаны только две силы Fэм, которые создаются от проводников ротора с током, направленным от нас (крестик) и к нам (точка). И как мы видим, электромагнитные силы Fэм пытаются повернуть ротор в сторону вращения вращающегося магнитного поля статора.

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен от нас (крестик).

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен к нам (точка).

Совокупность этих электромагнитных сил от каждого проводника с током создает общий электромагнитный момент М, который приводит во вращение вал электродвигателя с частотой n.

Эта частота называется, асинхронной.

Отсюда и произошло название асинхронный двигатель. Частота вращения ротора n всегда меньше частоты вращающегося магнитного поля статора n1, т.е. отстает от нее. Для определения величины отставания введен термин «скольжение», который определяется по следующей формуле:

Выразим из этой формулы частоту вращения ротора:

Пример расчета частоты вращения двигателя

Например, у меня есть двигатель типа АИР71А4У2 мощностью 0,55 (кВт):

• число пар полюсов у него равно 4 (2р=4, р=2)
• частота вращения ротора составляет 1360 (об/мин)

Вот его бирка.

Определим частоту вращения поля статора этого двигателя при частоте питающей сети 50 (Гц):

Найдем величину скольжения для этого двигателя:

Кстати, направление движения вращающегося магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения вала электродвигателя, можно изменить. Для этого необходимо поменять местами любые два вывода источника питающего трехфазного напряжения. Об этом я упоминал Вам в статьях про реверс электродвигателя и чередование фаз.

Принцип работы асинхронного двигателя. Выводы

Зная принцип работы асинхронного двигателя, можно сделать вывод, что электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала электродвигателя.

Частота вращения магнитного поля статора, а следовательно и ротора, напрямую зависит от числа пар полюсов и частоты питающей сети. Если число пар полюсов ограничивается типом двигателя (р = 1, 2, 3 и 4), то частоту питающей сети можно изменить в большем диапазоне, например, с помощью частотного преобразователя.

Если в нашем примере частоту питающей сети увеличить всего на 10 (Гц), то частота вращения магнитного поля статора увеличится на 300 (об/мин).

Опыт по установке и монтажу частотных преобразователей у меня есть, но не большой. Несколько лет назад на городском водоканале мы проводили замену двух высоковольтных двигателей насосов холодной воды на низковольтные двигатели с частотными преобразователями. Но это уже отдельная тема для разговора. Сейчас покажу Вам несколько фотографий.

Вот фотография старого высоковольтного двигателя напряжением 6 (кВ).

А это новые двигатели напряжением 400 (В), установленные вместо старых высоковольтных.

Вот шкафы частотных преобразователей. На каждый двигатель свой шкаф. К сожалению, изнутри сфотографировать не успел.

Подписывайтесь на рассылку новостей с моего сайта, чтобы не пропустить самое интересное. В ближайшее время я расскажу Вам про пуск и способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей двигателей, схемы их подключения и многое другое.

P.S. На этом статью про принцип работы асинхронного двигателя я завершаю. Спасибо за внимание.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Векторное управление для асинхронного электродвигателя «на пальцах»

В предыдущей статье «Векторное управление электродвигателем «на пальцах» рассматривалась векторная система управления для синхронных электродвигателей. Статья получилась большой, поэтому вопрос про асинхронные электродвигатели (induction motors) был вынесен в отдельную публикацию. Данная статья является продолжением предыдущей и опирается на приведенные там объяснения принципов работы электродвигателей. Она расскажет об особенностях работы асинхронного двигателя применительно к векторному управлению, а также покажет отличия в структуре векторной системы управления между синхронной и асинхронной машиной.
Как работает асинхронный электродвигатель? Наиболее популярное объяснение говорит что-то типа «статор создает вращающееся магнитное поле, которое наводит ЭДС в роторе, из-за чего там начинают течь токи, в результате ротор увлекается полем статора и начинает вращаться». Лично я от такого объяснения всю физику процесса понимать не начинаю, поэтому давайте объясню по-другому, «на пальцах».

Все же видели видео, как магнит взаимодействует с медным цилиндром? Особенно обратите внимание на диапазон времени с 0:49 до 1:03 – это уже самый настоящий асинхронный двигатель:

Эффект происходит из-за появления в цилиндре вихревых токов. Согласно закону электромагнитной индукции, открытого Майклом Фарадеем, при изменении магнитного потока замкнутого контура в нем возникает ЭДС (по-простому считайте, что напряжение). Эта ЭДС, применительно к медному цилиндру, тут же вызывает появление в цилиндре тока. При этом этот ток тоже создает свой, ответный магнитный поток, направленный ровно в противоположную сторону от изменения потока магнита, который мы подносим:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Это можно понимать так, что замкнутый контур сопротивляется изменению магнитного потока внутри себя. Если вы резко поднесёте магнит к медному цилиндру, т.е. сделаете резкое изменение магнитного потока, то в цилиндре потекут такие ответные токи, что магнитное поле внутри цилиндра в первый момент времени будет равно нулю: магнитное поле поднесенного магнита будет полностью скомпенсировано магнитным полем токов цилиндра (с допущениями, конечно). Если магнит поднести и держать, то токи в цилиндре из-за наличия активного сопротивления меди постепенно спадут, а поле цилиндра, создаваемое его токами, пропадет: магнитный поток постоянного магнита «прорвется» внутрь цилиндра, как будто никакого цилиндра и нет. Но стоит попытаться убрать магнит, как цилиндр отреагирует снова – теперь он будет пытаться сам «воссоздать» внутри себя пропадающий магнитный поток, т.е. будет опять сопротивляться изменению магнитного потока, в данном случае его исчезновению. Но что значит «воссоздать магнитный поток»? Это значит, что на какое-то время медный цилиндр можно считать условно «постоянным магнитом» – в нем циркулирует вихревой ток, создающий магнитное поле (на этом же принципе «висят» сверхпроводники в магнитном поле, но это совсем другая история).

Давайте теперь обратимся к конструкции асинхронного двигателя. Ротор асинхронного двигателя условно можно представлять себе также в виде медного цилиндра. Но в реальных конструкциях это некая решётка в виде «беличьей клетки» (рисунок 1) из меди или алюминия, совмещенная с магнитопроводом (шихтованное железо).

Рисунок 1. Ротор асинхронного двигателя типа «беличья клетка» с током в одной из «рамок» беличьей клетки, реагирующей на нарастание внешнего магнитного поля.

На рисунке схематично показано протекание тока в одной из «рамок», т.е. в некоторых прутьях беличьей клетки, если сверху поднести магнит (создать ток в статоре). На самом деле ток в этом случае протекает во всех прутьях, кроме, условно, верхнего и нижнего, для которых изменения потока нет (но они бы среагировали на горизонтально поднесенный магнит).

Помните ещё из начала прошлой статьи картинку со схематическим изображением двухфазной синхронной машины, где ротором был магнит? Давайте теперь сделаем из неё асинхронный двигатель: вместо магнита поставим две перпендикулярные короткозамкнутые катушки, символизирующие медный цилиндр ротора (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическое изображение двухфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Замена цилиндра на две катушки для пояснения принципа работы (или моделирования) корректна, точно также как корректна замена трехфазной обмотки на двухфазную. Только в этом случае мы заменяем… «бесконечнофазную обмотку» цилиндра (бесконечное число рамок) на две катушки с эквивалентной индуктивностью и сопротивлением. Ведь двумя катушками можно создать точно такой же вектор тока и магнитного потока, как и цилиндром.

А теперь давайте сделаем на короткое время из асинхронной машины синхронную. Подадим в катушку оси β постоянный ток и подождем секунды две-три, пока в роторе перестанут течь ответные токи: «поднесем внешний магнит». То есть дождемся спадания токов в роторе, чтобы магнитное поле статора «пронзило ротор» и никто ему не мешал. Что теперь будет, если выключить ток в статоре? Правильно, на те же две-три секунды, пока ток ротора этому противится, мы из ротора получим «обычный магнит» (рисунок 3).

Рисунок 3. Асинхронный двигатель, когда только что выключили постоянный ток по фазе β – течет ток в роторе i_rd.

Что же мы ждем? Быстрее, пока магнит не пропал, рисуем вдоль него привычную ось d (как в синхронной машине) и перпендикулярную ей ось q, привязанные к ротору. Включаем структуру векторного управления синхронной машиной, подаем ток по оси q, создавая момент, поехали!

Так можно даже действительно сделать несколько оборотов, пока наш сахарный магнит не растаял, а ось d не ушла в небытие. Что же делать? Давайте не будем выключать ток по оси d, подпитывая наш магнит! И опять же сохраним структуру векторного управления синхронной машиной, просто подав задание по оси d (раньше там был ноль). Итак, смотрим на рисунок 4: оси d, q по датчику положения «приделаны» к ротору, двигатель стоит, подан ток по оси d в статоре, что в данном случае для стоячей машины совпадает с осью β. Тока по оси q пока нет: ждем, пока ротор «намагнитится». И вот подаем ток i_sq (s – статор)! Поехали!

Рисунок 4. Подадим ток в ось d, намагнитив машину, подготовив всё для подачи тока в ось q статора.

Далеко ли мы уедем таким методом барона Мюнхгаузена? К сожалению, нет. Смотрите, что произошло (рисунок 5):

Рисунок 5. А магнит-то сполз!

Двигатель начал крутиться, но через некоторое время после того, как мы подали ток в ось q, образовав суммарный ток i_s и «прибив» этот вектор к положению ротора, магнит в роторе «съехал»! И встал ровно вдоль вектора i_s. Ротор же не понимает, где мы нарисовали ему оси d, q… Ему все равно, крутился он или нет. Важно, что его внутренний «наведенный магнит» в конечном счете хочет стать сонаправленным с магнитным потоком статора, «подчиниться» внешнему потоку. Из-за съехавшего магнита двигатель перестанет крутиться: мало того, что между магнитом ротора и током i_q нет желаемых 90 градусов, так еще и ток оси d теперь его тянет в противоположную сторону, компенсируя момент, создаваемый током i_q. Метод барона Мюнхгаузена не удался.

Что же делать с ускользающим магнитом ротора? А давайте сделаем структуру векторного управления асинхронного двигателя не в осях d,q, приделанных к ротору, а в других осях, приделанных именно к текущему положению «магнита ротора» – назовем их оси x,y, чтобы отличать от d,q. По «научному» – это оси, ориентированные по потокосцеплению ротора. Но как же узнать, где конкретно сейчас это потокосцепление ротора, т.е. куда повернут магнит в роторе? Его положение зависит… во-первых, от положения самого ротора (датчик положения у нас есть, хорошо), во-вторых, от токов статора (создающих поток статора, по которому и собирается в конечном счете повернуться магнит ротора), а в-третьих от параметров роторной цепи – индуктивности и сопротивления «медного цилиндра» (он же беличья клетка, он же роторная обмотка, он же цепь ротора). Поэтому… зная всё это, положение «магнита» ротора можно просто вычислять по нескольким дифференциальным уравнениям. Делает это так называемый наблюдатель потокосцепления ротора, выделенный цветом на итоговой структурной схеме векторного управления асинхронным двигателем (рисунок 6).

Рисунок 6. Векторная датчиковая структура управления асинхронным двигателем

В наблюдатель заводятся показания с датчика положения ротора, а также текущие токи статора в осях α, β. На выходе наблюдателя – положение «магнита» ротора, а именно угол наблюдаемого потокосцепления ротора . В остальном структура полностью аналогична таковой для синхронной машины, только оси d,q переименованы в x,y, а на ось x подано задание тока, который будет поддерживать наш «магнит» в роторе. Также на многих обозначениях добавлен индекс “s”, чтобы показать, что данная величина имеет отношение к статору, а не к ротору. Также надо отметить, что в западной литературе не используют оси x,y: у них ось d всегда направлена по полю ротора, что для асинхронного двигателя, что для синхронного. Наши ученые еще в советское время разделили оси d,q и x,y, чтобы исключить путаницу: d,q прикреплены к ротору, а x,y к полю ротора.

Что же получается? Магнит ротора всё время скользит, сползает от текущего положения на роторе в сторону тока оси y. Чем больше этот ток, тем сильнее скольжение. Наблюдатель в реальном времени вычисляет положение этого магнита и «подкручивает» оси x,y всё время вперед по отношению к осям d,q (положению ротора). Ось x всегда соответствует текущему положению потокосцепления в роторе – положению «магнита». Т.е. оси x,y бегут всегда (в двигательном режиме) немного быстрее вращения ротора, компенсируя скольжение в нем. Токи в роторе, если их измерить или промоделировать, получаются синусоидальными. Только изменяются они не с частотой статорных токов, а с частотой этого скольжения, т.е. очень медленно. Если в статоре промышленного асинхронника 50Гц, то при работе под нагрузкой частота тока в роторе – единицы герц. Вот, собственно, и весь секрет векторного управления для асинхронного двигателя.

Чем векторное управление асинхронным двигателем лучше, чем скалярное? Скалярное управление это такое, когда к двигателю прикладывается напряжение заданной частоты и амплитуды – например, 380В 50Гц. И от нагрузки на роторе оно не зависит – никаких регуляторов токов, векторов… Просто задается частота напряжения и его амплитуда – скалярные величины, а токи и потоки в двигателе пусть сами себе удобное место находят, как хотят. В установившемся режиме работы двигателя векторное управление неотличимо от скалярного – векторное точно также будет прикладывать при номинальной нагрузке те же, скажем, 380В, 50Гц. Но в переходных режимах… если нужно быстро запустить двигатель с заданным моментом, если нужно отрабатывать диаграмму движения, если есть импульсная нагрузка, если нужно сделать генераторный режим с определенным уровнем мощности – всё это скалярное управление или не может сделать, или делает это с отвратительными, медленными переходными процессами, которые могут к тому же «выбить защиту» преобразователя частоты по превышению тока или напряжения звена постоянного тока (двигатель колеблется и может запрыгивать в генераторный режим, к которому преобразователь частоты не всегда приспособлен).

В векторной же структуре «всё под контролем». Момент вы задаете сами, поток тоже. Можно ограничить их на нужном уровне, чтобы не превысить уставок защиты. Можно контролируемо форсировать токи, если кратковременно нужно сделать в несколько раз больший момент. Можно регулировать не только момент двигателя, но и поток (ток оси x): если нагрузка на двигателе мала, то нет никакого смысла держать полный поток в роторе (делать магнит «номинального режима») – можно ослабить его, уменьшив потери. Можно стабилизировать скорость регулятором скорости с высокой точностью и быстродействием. Можно использовать асинхронный привод в качестве тягового (в транспорте), задавая требуемый момент тяги. В общем, для сложных применений с динамичной работой двигателя векторное управление асинхронным двигателем незаменимо.

Также есть отличительные особенности векторного управления асинхронного двигателя от синхронного. Первая – это датчик положения. Если для синхронного привода нам нужно знать абсолютное положение ротора, чтобы понять, где магнит, то в асинхронном приводе этого не требуется. Ротор не имеет какой-то выраженной полюсной структуры, «магнит» в нем постоянно скользит, а если посмотреть в формулы наблюдателя потокосцепления ротора, то там не требуется знания положения: в формулы входит только частота вращения ротора (на самом деле есть разные формулы, но в общем случае так). Поэтому на датчике можно сэкономить: достаточно обычного инкрементального энкодера для отслеживания частоты вращения (или даже тахогенератора), абсолютные датчики положения не требуются. Вторая особенность – управление потоком в асинхронном электродвигателе. В синхронной машине с постоянными магнитами поток не регулируется, что ограничивает максимальную частоту вращения двигателя: перестает хватать напряжения на инверторе. В асинхронном двигателе, когда это случается… просто уменьшаете задание по оси x и едете дальше! Максимальная частота не ограничена! Да, от этого будет снижаться момент двигателя, но, главное, ехать «вверх» можно, в отличие от синхронной машины (по-правде там тоже можно, но недалеко, не для всех двигателей и с кучей проблем).

Точно также существуют бездатчиковые алгоритмы векторного управления асинхронным двигателем, которые оценивают угол потокосцепления ротора не используя сигнал датчика положения (или скорости) вала ротора. Точно также, как и для синхронных машин, в работе таких систем есть проблемы на низкой частоте вращения ротора, где ЭДС двигателя мала.

Также следует сказать пару слов о роторе. Если для промышленных асинхронных двигателей его удешевляют, используя алюминиевую беличью клетку, то в тяге, где массогабаритные показатели важнее, наоборот, могут использовать медный цилиндр. Так, во всеми любимом электромобиле Tesla стоит именно асинхронный электродвигатель с медным ротором (рисунок 7)

Рисунок 7. Ротор асинхронного электродвигателя Tesla Model S в стальной обшивке (фото из разных источников за разные годы)

Вот, собственно, и всё, что я хотел сказать про асинхронный двигатель. В данной обзорной статье не рассмотрены многие тонкости, такие как регулятор потока ротора, возможное построение векторной структуры в других осях координат, математика наблюдателя потокосцепления ротора и многое другое. Как и в конце прошлой статьи, за дальнейшими подробностями отсылаю читателя к современным книгам по приводу, например к «Анучин А. С. Системы управления электроприводов. МЭИ, 2015».

На каком микроконтроллере можно сделать полноценное векторное управление, читайте, например, в статье «Новый отечественный motor-control микроконтроллер К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ», а как это отлаживать в статье «Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе». Также наша фирма ООО «НПФ Вектор» предлагает разработку на заказ систем управления электродвигателями и другим электрооборудованием, примеры выполненных проектов можно посмотреть на нашем сайте.

P.S.
У специалистов прошу прощения за не совсем корректное обращение с некоторыми терминами, в частности с терминами «поток», «потокосцепление», «магнитное поле» и другими – простота требует жертв…

Асинхронный Двигатель Переменного Тока: Подключение, Ремонт

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

Электрические моторы заняли в жизни человека почетное место и применяются в приборах различной мощности и габаритов. Встретить их можно повсеместно, начиная от электрических зубных щеток, стиральных машин микроволновых печей до беговых дорожек, промышленного оборудования или огромных автомобилях.

Причина популярности предельно ясна даже неспециалисту – простота устройства, легкость в обслуживании, рентабельность производства и многое другое, включая повсеместную электрификацию. Исключение, пожалуй, составляют автомобили, так как подать к ним ток по проводам нельзя, если это не троллейбус, но и то, в этом направлении сегодня ведется множество разработок.

Сегодня мы с вами поговорим о том, что представляет собой асинхронный двигатель переменного тока. Узнаем, как он устроен, и за счет каких принципов работает. Погнали!

Что такое асинхронный двигатель

Классический двигатель переменного тока асинхронный

Трехфазный асинхронный двигатель мало чем отличается от своих собратьев и состоит из двух основных частей – вращающейся и неподвижной, или другими словами ротора и статора. Располагаются они один в другом при этом, не касаясь друг друга. Между деталями имеется небольшой воздушный зазор от 0,5 до 2 миллиметров, в зависимости от конструкции двигателя.

Схематическое строение

Однако это не все детали. Давайте разберем строение более подробно.

Схематическое строение трехфазного двигателя

• Статор – фактически главная рабочая часть, являющаяся мощным электромагнитом. Состоит он их сердечника, выполненного из тонколистовой технической стали, толщиной всего лишь 0,5 миллиметров, которая покрывается токоизоляционным лаком, и обмотки, сделанной из медной проволоки, которая также изолирована и располагается продольных пазах сердечника

Строение статора прекрасно видно на представленной выше схеме, где показано, что сердечник собран из множества пластин совмещенных друг с другом.

Цилиндр на валу снизу – это и есть ротор

• Ротор – данный элемент также состоит из сердечника, обмотка которого короткозамкнута (хотя бывает и другое строение), который располагается на валу. Сердечник этого элемента также представлена в виде шихтованной детали, однако сталь не покрывается лаком, так как ток, протекающий внутри, будет очень слабым, и естественной оксидной пленки будет вполне достаточно, чтобы ограничить вихревые токи.
• Вал мотора представляет собой центральную ось, вокруг которой и происходит вращение электромотора. С разных концов на этом элементе располагаются подшипники качения, за счет которых обороты происходят максимально плавно и легко. Сами подшипники запрессованы в боковые крышки, в которых имеются посадочные места под них.

Совет! Подшипники должны сидеть очень плотно, при этом они должны быть отцентрованы, смазаны, легко вращаться, то есть быть исправными, иначе при высоких оборотах двигатель очень быстро выйдет из строя.

Разбитая и новые крыльчатки

• На конце вала, противоположном приводу, располагается небольшая крыльчатка, которая при включенном двигателе выполняет функцию его охлаждения. Кстати, данный элемент тоже может стать причиной появления вибрации в двигателе, если его лопасти отломаются, что негативно сказывается на сроке службы агрегата. Пример разбитого вентилятора можно увидеть на фото выше.
• Идем по цепочке. Боковые крышки корпуса крепятся к станине, которая удерживает все вышеназванное вместе.

Также любой двигатель имеет пусковую аппаратуру и силовые цепи, о чем мы подробнее поговорим немного позже.

Принцип вращение электромагнитного поля

Электромагнитная индукция в моторах

Главной особенностью любого электрического двигателя является то, что он способен переводить электрическую энергию в кинетическую, то есть механическую. При этом, разобрав его строение, вы можете увидеть, что никакого прямого или передаточного привода он не имеет. Как же тогда происходит вращение двигателя?

Вся фишка в том, что обмотка статора способна создавать сильное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор, при включении мотора в электрическую сеть. Данное магнитное поле имеет определенную частоту вращения, которая прямопропорциональна частоте переменного тока, и имеет обратную пропорциональность числу пар полюсов обмотки.

То есть данную частоту можно вычислить по формуле: n1 = f1*60/p, где: n1 – частота вращения магнитного поля; f1 – частота переменного тока в Герцах; p – количество пар полюсов.

Строение асинхронного двигателя переменного тока

Пока ничего не понятно?

Ничего, сейчас во всем разберемся.

• Чтобы наглядно себе представить принцип вращения магнитного поля, давайте рассмотрим примитивную трехфазную обмотку, имеющую всего три витка.

Пример того, как вращается магнитное поле в электрическом двигателе

• Витки – это проводники, по которым при включении в сеть протекает электрический ток. Во время этого процесса вокруг проводника возникает электромагнитное поле.
• Мы знаем, что показатели переменного тока изменяются со временем – сначала он нарастает, затем падает до нуля, потом течет в обратном направлении по тому же принципу, и так до бесконечности. Именно поэтому переменный ток изображают в виде синусоиды.

Графическое изображение переменного тока

• В то время как изменяются показатели тока, меняются и параметры магнитного поля, вызываемого им.
• Особенностью трехфазных двигателей и генераторов является то, что в один момент времени по обмотке статора ток протекает в фазах со смещением на 120 градусов, то есть на треть времени одного такта.
• Такт – это 1 Герц, то есть прохождение переменным током одного полного цикла колебания синусоиды. Схематически это будет выглядеть вот так.

Смещение между фазами составляет ровно 120 градусов

• В результате в статоре двигателя одновременно образуется несколько магнитных полей, которые, взаимодействуя, дают результирующее поле.

Изменение магнитного поля в разные моменты времени

• Когда происходит изменение параметров токов, протекающих в фазах, начинает изменяться и результирующее магнитное поле. Выражается это в смене его ориентации, при том, что амплитуда остается одинаковой.
• В результате получается так, что магнитное поле вращается вокруг некой центральной оси.

А что будет, если внутрь данного магнитного поля поместить проводник?

Принцип электромагнитной индукции

Согласно закону об электромагнитной индукции, который мы подробно описывали в статье про генераторы постоянного и переменного тока, в проводнике возникает электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Если этот проводник замкнут на внешнюю цепь или на себя, то в нем потечет ток.

Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, начинает действовать сила, и контур начинает вращаться. По этому принципу и работают асинхронные двигатели переменного тока, однако вместо рамки в магнитном поле находится короткозамкнутый ротор, который своим внешним видом напоминает беличье колесо.

Строение короткозамкнутого ротора

• Как видно из схемы выше, такой ротор состоит из параллельно расположенных стержней, которые с торцов замкнуты двумя кольцами.
• При подключении статора к электрической сети, он начинает формировать вращающееся магнитное поле, которое индуктирует во всех стержнях ротора ЭДС, из-за чего ротор начнет вращаться.
• При этом в разных стержнях будет отличаться направление текущего тока и его величина, в зависимости от того, в каком положении они находятся относительно полюсов магнитного поля. Опять-таки, если не понятно, то отсылаем вас снова к закону об электромагнитной индукции.

Изменение ЭДС на примере генератора переменного тока

Интересно знать! Стержни на роторе наклоняют относительно оси его вращения. Делается это для того, чтобы пульсация момента и высшие гармоники ЭДС, сокращающие эффективность двигателя, были меньше.

Особенности асинхронного двигателя

Неприхотливые в эксплуатации электромоторы

Итак, давайте разбираться с тем, какие двигатели переменного тока называются асинхронными.

Скольжение ротора

Главной особенностью таких агрегатов является то,  что частота вращения ротора отличается от этого же показателя у магнитного поля. Назовем условно эти значения n2 и n1, соответственно.

Объяснить это можно тем, что индуцироваться ЭДС может только при этом неравенстве – n2 должна быть меньше n1. Разница в частотах этих вращений называется частотой скольжения, а сам эффект отставания ротора и называется скольжением, которое обозначается как «s». Высчитать этот параметр можно по следующей формуле: s = (n1-n2)/n1.

Асинхронный двигатель в разрезе

• Давайте представим себе ситуацию, в которой частоты n1 и n2 будут одинаковыми. В этом случае положение стержней ротора относительно магнитного поля будет неизменным, а значит, движение проводников относительно магнитного поля происходить не будет, то есть ЭДС не индуктируется, и ток не течет. Отсюда следует вывод, что сил приводящих ротор в движение возникать не будет.
• Если предположить, что изначально двигатель был в движении, то теперь ротор начнет замедляться, отставая от магнитного поля, а значит, стержни сместятся относительно магнитного поля и снова начнет расти ЭДС и движущая сила, то есть вращение снова возобновится.
• Приведенное описание довольно грубое. В реальности ротор асинхронного двигателя никогда не может догнать скорость вращения магнитного поля, поэтому крутится равномерно.
• Уровень скольжения тоже величина непостоянная, и может изменяться от 0 до 1, или другими словами, от 0 до 100 процентов. Если скольжение близко к 0, что соответствует холостому режиму работы двигателя, то есть ротор не будет испытывать противодействующий момент. Если значение этого параметра близко к 1 (режим короткого замыкания), то ротор будет неподвижен.
• Отсюда можно сделать вывод, что скольжение напрямую будет зависеть от механической нагрузки на вал двигателя, и чем она больше, тем выше и коэффициент.

Принцип работы асинхронного двигателя

• Для асинхронных двигателей средней и малой мощности допустимый коэффициент скольжения находится в диапазоне от 2 до 8%.

Мы уже написали, что такой двигатель преобразует электрическую энергию с обмоток статора в кинетическую, однако стоит понимать, что эти силы не равны друг другу. Всегда при преобразовании происходят потери на гистерезисе, нагреве, трении и вихревых токах.

Данная часть энергии рассеивается в виде тепловой, поэтому двигатель и оборудуется вентилятором для охлаждения.

Питание двигателя

Схема подключения

Давайте теперь разберемся с тем, как происходит подключение асинхронного электродвигателя переменного тока.

• Мы уже вкратце описывали, как протекает ток в трехфазной сети, но не совсем понятно, какие выгоды такое питание имеет перед однофазными или двухфазными аналогами.
• В первую очередь можно отметить экономичность системы с таким подключением.
• Также для нее характерна большая эффективность.

Фазы подключаются к обмотке статора по определенным схемам, называемым звезда и треугольник, каждая из которых имеет свои особенности. Соединения эти могут быть выполнены как внутри двигателя, так и снаружи, в распределительной коробке. В первом случае из корпуса выходит три провода, а во втором шесть.

Для лучшего понимания принципов работ схем давайте введем некоторые понятия:

1. Фазное напряжение – напряжение в одной фазе, то есть разница потенциалов между ее концами.
2. Линейное напряжение – это разница в потенциалах разных фаз.

Эти значения очень важны, так как позволяют рассчитать потребляемую мощность электромотора.

Вот формулы, предназначенные для этого:

Формулы расчета мощности двигателя

Данные формулы вычисления мощности двигателя справедливы для подключения и звездой, и треугольником. Однако стоит всегда учитывать, что подключение одного и того же двигателя разными способами будет сказываться на его энергопотреблении.

А если потребляемая мощность не соответствует параметрам двигателя, то может произойти расплавление обмотки статора, и моментальный выход из строя агрегата.

Чтобы понять это лучше, давайте разберем один наглядный пример:

• Представьте двигатель, подключенный по схеме «звезда», который подключен в сеть переменного тока. Линейное напряжение будет составлять 380В, а фазовое 220В. Потребляет при этом он 1А.
• Высчитываем мощность: 1,73*380*1 = 658 Вт – 1,73 является корнем из 3.
• Если сменить схему подключения на треугольник, то получится следующее. Линейное напряжение останется без изменений и составит 380В, а вот фазовое напряжение (вычисляем по первой формуле) увеличится и станет таким же 380В.
• Увеличенное в корень из 3 раз фазовое напряжение, приведет к увеличению в такое же количество раз фазового тока. То есть Iл будет равно не 1, а 1,73*1,73, что приблизительно равняется 3
• Повторяем расчет мощности: 1,73*380*3 = 1975 Вт.

Как видно из примера, потребляемая мощность стала намного больше, и если двигатель не рассчитан на работу в таком режиме, то он неизбежно перегорит.

Как выглядят схематично разбираемые подключения обмотки

Подключение трехфазного двигателя асинхронного типа к однофазной сети

Разобрав принцип работы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, становится понятным, что напрямую подключить его к общественным сетям, в который «царит» одна фаза,  не так просто. Выполнить такое подключение становится возможным, если применить фазосдвигающие элементы.

Варианты подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

При таком подключении двигатель может работать в двух режимах:

1. Первый ничем не отличается от работы однофазных двигателей (смотреть рисунки а, б и г, где применяется пусковая обмотка). При таком режиме работы двигатель способен выдать лишь 40-50% от своей номинальной мощности.
2. Второй (в, д, е) – режим конденсаторного двигателя, при котором агрегат способен выдать до 80-ти% мощности (в схему включен постоянно работающий конденсатор).

Совет! Емкость конденсатора рассчитывается по специальным формулам, согласно выбранной схеме.

Как управлять электродвигателем

Управление асинхронным электродвигателем переменного тока может быть реализовано тремя способами:

Магнитный пускатель

• Прямое подключение к питающей сети – для этого применяются магнитные пускатели, с помощью которых можно реализовать нереверсивные и реверсивные режимы работы мотора. Отличие, думаем понятно – во втором случае двигатель мотет вращаться в другом направлении. Недостатком такого подключения является то, что в цепи присутствуют большие пусковые токи, что не очень хорошо для самого агрегата. Цена такого устройства будет самой низкой

Устройство плавного пуска

• Плавный пуск двигателя – такие устройства для управления применяются тогда, когда вам требуется возможность регулировки скорости вращения вала при запуске двигателя. Показанный прибор уменьшает пусковые токи, в результате чего защищает двигатель от больших пусковых токов. Оно обеспечивает плавный старт и остановку вала.

Частотный преобразователь

• Самым дорогим и сложным подключением электрического двигателя является применение частотного преобразователя. Такое решение используется тогда, когда требуется регулировка скорости вращения вала двигателя не только при старте и торможении. Данное устройство способно менять частоту и напряжение подаваемого на двигатель тока.
• Его применение имеет следующие плюсы: во-первых сокращается энергопотребление мотора; во-вторых, как и устройство плавного пуска, двигатель защищается от ненужных перегрузок, что благотворно сказывается на его состоянии и сроке службы.

Частотные преобразователи могут реализовать следующие методы регулирования:

Скалярное управление

1. Управление скалярного типа. Наиболее простой и недорогой в реализации, обладающий медленным откликом на изменение нагрузки в сети и небольшим диапазоном регулировки, в виде недостатков. Из-за того подобное управление применимо лишь там, где изменение нагрузки происходит по определенному закону, например, переключение режимов в фене.
2. Управление векторного типа. Данная схема применяется там, где требуется обеспечить независимое управление вращением электродвигателя, например, в лифте. Она позволяет сохранять одинаковые обороты даже при изменяющихся параметрах нагрузки.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Более сложная конструкция асинхронного двигателя

До того момента, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели большой и средней мощности изготавливались с фазным ротором. Такая конструкция дает двигателю лучшие свойства по плавному пуску и регулировке оборотов, однако  эти агрегаты намного сложнее в плане строения.

• Статор такого мотора ничем не отличается от того, что устанавливается в двигателях с короткозамкнутым ротором, но вот сам ротор устроен по-другому.
• Также как и статор, он имеет трехфазную обмотку, которая подключается «звездой» к контактным кольцам. Обмотка укладывается в пазы стального сердечника, от которого она изолируется.

Кольца контактные

• Контактные кольца соединяются через графитовые щетки с трехфазным пусковым или регулировочным реостатом, с помощью которого и производится пуск ротора.

Реостат жидкостного типа

• Реостаты бывают металлическими и жидкостными. Первые (их еще называют проволочными) – ступенчатые, которые управляются механическим переключением своими руками рукояти контроллера, либо автоматически, при помощи контроллера с электроприводом. Вторые представляют собой некие сосуды с электролитом, в который опущены электроды. Изменение сопротивления такого реостата осуществляется за счет глубины их погружения.

Интересно знать! Отдельные модели АДФР, с целью увеличения КПД и ресурса щеток, после запуска ротора поднимают щетки и за счет короткозамкнутого механизма замыкают кольца.

На сегодняшний день устройства с фазными роторами практически не применяются, так как их эффективно заменяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, оснащенные частотным преобразователем.

На этом подведем итог. Мы узнали строение асинхронного трехфазного двигателя и принцип его работы. Материал для большинства читателей будет теоретическим, но, думаем, все равно интересным. Если вам нужно узнать, как выполнить ремонт асинхронного двигателя переменного тока, то прочтите предыдущую статью на нашем сайте. Там будет дана инструкция по разбору, и рассказано, что можно диагностировать и исправить самостоятельно, не обращаясь в мастерскую. Также рекомендуем к просмотру подобранное нами видео.

Урок по электротехнике на тему «Асинхронные электродвигатели»

Асинхронные электрические двигатели бывают двух видов – с фазным ротором или с короткозамкнутым ротором.

Основными элементами, обеспечивающими работу асинхронного электродвигателя, являются статор и ротор. Ротором называется подвижный элемент асинхронного двигателя, выполненный в форме цилиндра.

Принцип действия асинхронных двигателей основан на двух явлениях: образовании рабочего вращающегося магнитного поля токами в обмотке статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках ротора.

Фазный ротор отличает от короткозамкнутого присутствие в его конструкции специальной обмотки с выводом на контактные кольца. Он обладает отличными регулировочными свойствами, а также обеспечивает облегченную и более мощную процедуру пуска. Такой механизм способствует образованию большого начального вращающегося момента. Рассматриваемая в работе разновидность асинхронного электродвигателя может использоваться в ответственных конструкциях благодаря своей повышенной надежности – она способна переносить кратковременные перегрузки и имеет постоянную скорость при изменениях интенсивности нагрузки. Двигатель с фазным ротором характеризуется меньшим пусковым током и может использоваться с автоматическими системами запуска.

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей, в том числе и трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором, приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью.

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Асинхронный двигатель с фазным ротором применяют для привода таких машин и механизмов, которые пускаются в ход под нагрузкой. В подобных приводах двигатель должен развивать при пуске максимальный момент, что достигается с помощью пускового реостата (более подробно устройство асинхронного двигателя с фазным ротором рассмотрено в пункте 1.2).

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Благодаря особенностям своей конструкции электродвигатель с фазным ротором является оптимальной машиной энергообеспечения для подъемных устройств – лифтов, кранов, эскалаторов и т.д.

При строительстве и оборудовании таких ответственных конструкций, как скважинные насосы выбирают именно асинхронный двигатель с фазным ротором. Специалисты рекомендуют отдавать предпочтение фазным роторам при оборудовании двигателей конвейеров, подъемников, крановых конструкций, различных промышленных мельниц (угольных, цементных и т.д.), вентиляционных систем, а также технических средств, рассчитанным на длительное время непрерывной работы.

Как уже было сказано ранее, основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором (см. рис. 1) состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Рисунок 1 – Асинхронный двигатель с фазным ротором фирмы Siemens

Фазы обмотки можно соединить по схеме »звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют «звездой». Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в «треугольник». В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор асинхронного двигателя с фазным ротором представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. На роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов (см. рис. 2).

Рисунок 1 – Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором

Фазы обмотки соединяются звездой, и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p:

.

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим магнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора ω₂ не равна угловой скорости магнитного поля ω₁, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля ω1 и ротора ω₂:

.

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины. Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: ω₂=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью ω₂>ω₁ в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1÷0), генераторный (s=0÷–∞) режимы и режим противовключення (s=1÷+∞). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Для правильной эксплуатации асинхронного двигателя, в том числе и фазным ротором, необходимо знать его характеристики: механическую и рабочие.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 3, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98–92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 – 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рисунок 3 – Механические характеристики асинхронного двигателя: а – естественная; б – при включении пускового реостатаРис. 262. Механические характеристики асинхронного двигателя: а – естественная; б – при включении пускового реостата

На рис. 3, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M_max двигатель развивает при некоторое скольжении s_kp, составляющем 10–20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном – его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В). Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5–7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 3,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R₂ и возрастает s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 4) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М_п такого двигателя значительно больше, чем момент М’_п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рисунок 4 – Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁ коэффициента полезного действия η и cosφ₁, от полезной мощности Р₂ = Р_mx при номинальных значениях напряжения U₁ и частоты f₁ (рис. 5). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10–20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р₂ изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М₂ пропорционален мощности Р₂, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М_тр, создаваемого силами трения.

Рисунок 5 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Ток статора I₁, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р₂ = 0 имеется некоторый ток холостого хода I₀. К.п.д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75–0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к.п.д.). Коэффициент мощности cosφ₁ асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7–0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

При нагрузках 25–50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5–0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25–0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором отличаются очень высокой надежностью, высокой бесперебойностью своей работы (п

Основное различие между синхронным и асинхронным двигателем

В чем разница между синхронным и асинхронным двигателем (асинхронным двигателем)

Электродвигатели — это машины, которые преобразуют электрическую энергию в механическую для выполнения механических операций. Эти двигатели могут быть предназначены для работы на переменном (AC) или постоянном (DC) токе. Двигатели переменного тока подразделяются на два типа; Синхронные двигатели и асинхронные двигатели. Оба они имеют некоторые общие черты, например, в своей конструкции, но они совершенно разные по работе и характеристикам.

Прежде чем перейти к списку различий между синхронным двигателем и асинхронным двигателем, мы собираемся обсудить их основы и то, как они работают. Для ясного объяснения вы можете знать разницу между однофазным и трехфазным источником питания, относящуюся к работе однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Как работает двигатель переменного тока?

Как мы знаем из нашей предыдущей статьи «Различия между двигателями переменного и постоянного тока», двигатели постоянного тока работают по принципу магнитного поля, действующего на проводник с током, который испытывает механическую силу.Где статор генерирует статическое магнитное поле, а ротор, состоящий из нескольких обмоток, несет входной постоянный ток.

В двигателях переменного тока используется идея вращательного магнитного поля RMF. Статор состоит из нескольких обмоток, которые создают переменное магнитное поле при подаче входного переменного тока. Это магнитное поле вращается вокруг ротора.

Ротор, сделанный из обмоток или проводников с замкнутым контуром, пропускает ток либо через индукцию, либо через внешний источник тока, генерирующий собственное магнитное поле.Магнитное поле, создаваемое ротором, взаимодействует с вращающимся магнитным полем и начинает вращаться в его направлении.

Относительная разница между полем вращения статора и скоростью ротора называется скольжением. если скольжение двигателя равно нулю или ротор имеет ту же скорость вращения, что и поле вращения статора, двигатель называется синхронным двигателем переменного тока. если двигатель переменного тока имеет скольжение или существует разница между скоростью возбуждения статора и ротором, двигатель называется асинхронным двигателем.Чтобы узнать больше о различных типах двигателей, обратитесь к предыдущим сообщениям о двигателях BLDC (бесщеточный постоянного тока), шаговых двигателях и серводвигателях.

Связанные сообщения:

Синхронный двигатель

Как следует из названия, синхронный двигатель имеет ротор, который предназначен для вращения с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора, которое называется синхронная скорость .

Статор создает вращающееся магнитное поле при подаче переменного тока.Ротор может быть спроектирован для создания собственного магнитного поля с использованием внешнего источника постоянного тока через контактные кольца или постоянного магнита .

Ротор предназначен для создания магнитных полюсов, равных полюсам статора или целых кратных полюсов. Когда статор и ротор находятся под напряжением, магнитное поле ротора блокируется с вращающимся магнитным полем статора, и он вращается с точной скоростью поля статора.

Из-за инерции синхронный двигатель не запускается сразу с синхронной скоростью (вращательное магнитное поле).Поэтому для обеспечения пускового момента используется дополнительная обмотка « демпферная обмотка ». Во время запуска он действует как асинхронный двигатель. Таким образом, предполагается, что синхронные двигатели не самозапускающиеся , им нужен дополнительный пусковой механизм.

Это может быть двигатель с раздельным возбуждением или без возбуждения, т.е. первый требует отдельного источника постоянного тока, возбуждает обмотки ротора и генерирует магнитное поле, а второй описывает синхронный двигатель, ротор которого предназначен для намагничивания вращающимся магнитным полем статора. и вращается вместе с ним.

Ротор синхронного двигателя вращается с синхронной скоростью, которая зависит от частоты питания и полюсов обмоток статора. Следовательно, скорость двигателя не зависит от нагрузки. Чтобы изменять скорость синхронного двигателя, необходимо изменять частоту питания. Это достигается за счет использования частотно-регулируемого привода (VFD).

Связанные сообщения:

Асинхронный двигатель

Название асинхронного двигателя предполагает, что скорость ротора асинхронна со скоростью вращения магнитного поля статора.Точнее, ротор асинхронного двигателя вращается с относительно меньшей скоростью, чем статор RMF. Это связано с наличием проскальзывания между его скоростью статора и ротора.

Ротор асинхронного двигателя представляет собой короткозамкнутый ротор или ротор с обмоткой. Ротор с короткозамкнутым ротором построен с использованием тяжелых медных стержней, соединенных на конце с помощью токопроводящего кольца, которое электрически закорачивает их вместе. Ротор с обмоткой состоит из нескольких обмоток поверх многослойного стального сердечника.

Вращающееся магнитное поле статора вызывает индуцированный ток в роторе. Этот индуцированный ток течет внутри ротора, создавая собственное магнитное поле. Согласно закону Ленца, это поле ротора противостоит причине, которая его порождает, и пытается устранить ее, догоняя скорость статора RMF (синхронную скорость). При этом ротор вращается в направлении RMF статора. Асинхронный двигатель также известен как асинхронный двигатель , поскольку он работает по принципу индукции.

Асинхронный двигатель никогда не может работать на синхронной скорости, вместо этого она всегда ниже, чем синхронная скорость, и это зависит от скольжения двигателя. Причина в том, что индуцированный ток в роторе генерируется из-за разницы между полем статора и ротора. если в случае, если он работает с синхронной скоростью, это означает, что ротор магнитно заблокирован, и между полем статора и ротора нет разницы. Следовательно, не будет магнитного потока, индуцирующего ток в роторе.Магнитный поток необходим для асинхронного двигателя, поэтому он должен работать с меньшей скоростью, чем его синхронная скорость.

Ротор с короткозамкнутым ротором имеет более простую конструкцию и позволяет наведенному току проходить через медные шины. Ротор с обмоткой позволяет пользователю изменять ток ротора во время его запуска, как это используется в «Пускателе двигателя». Дело в том, чтобы безопасно запустить двигатель, уменьшив огромный пусковой ток, потребляемый асинхронным двигателем. Обычно это делается путем последовательного подключения переменного резистора к обмоткам ротора через контактные кольца.

Скорость асинхронного двигателя зависит от скольжения двигателя, которое изменяется в зависимости от нагрузки и сопротивления ротора. Другими словами, скорость асинхронного двигателя может изменяться в зависимости от нагрузки или за счет изменения сопротивления ротора.

Связанное сообщение:

Различия между синхронным двигателем и асинхронным двигателем

В следующей таблице показаны основные различия между синхронным двигателем и асинхронным (асинхронным) двигателем.

Синхронный двигатель	Асинхронный двигатель
Синхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает с синхронной скоростью.	Асинхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает со скоростью меньше синхронной.
Он работает по принципу магнитной блокировки между полем ротора и статора.	Он работает по принципу электромагнитной индукции между статором и ротором.
Проскальзывания нет, т.е. скольжение синхронного двигателя равно 0.	В асинхронном двигателе есть скольжение, и оно всегда больше 0.
Скорость двигателя зависит от частоты питания и количество полюсов статора. N s = 120 f / P	Скорость двигателя зависит от нагрузки, сопротивления ротора и скольжения, s. она всегда меньше синхронной скорости. N = N с (1-с) N с
Скорость не меняется при изменении нагрузки, подключенной к двигателю.	Скорость меняется в зависимости от нагрузки двигателя.
Это не самозапуск и требует дополнительных обмоток для запуска двигателя.	Асинхронные двигатели самозапускаются и не требуют дополнительных механизмов.
Ротор требует дополнительного источника тока.	Ротор асинхронного двигателя не требует дополнительного питания.
Синхронному двигателю с независимым возбуждением требуется дополнительный источник постоянного тока для питания обмотки ротора.	Не требует дополнительных исходников.
Также необходимы контактные кольца и щетки для подачи постоянного тока на обмотки ротора.	Не требует контактных колец, однако, намотанный тип может использовать контактные кольца для управления скоростью.
Скорость двигателя регулируется только путем изменения частоты питания с помощью частотно-регулируемого привода.	Скорость двигателя можно регулировать, используя переменное сопротивление ротора, а также устройства VFD.
Источник входного напряжения не изменяет скорость или крутящий момент синхронного двигателя.	Источник входного напряжения можно использовать для изменения крутящего момента и скорости двигателя.
Колебания основного напряжения питания не влияют на работу синхронного двигателя.	Колебания сетевого напряжения влияют на его скорость и работу.
Начальная стоимость больше, чем у асинхронного двигателя.	Асинхронные двигатели дешевле.
Операция сложная.	Операция проста и удобна для пользователя.
Если предлагают высокую эффективность и точность.	Они не так эффективны, как синхронный двигатель.
Может легко работать на очень низкой скорости с помощью ЧРП.	Работать на малых оборотах довольно сложно.
Лучше всего работает на более низких оборотах, обычно ниже 300 об / мин.	Лучше всего подходит для работы на скорости выше 600 об / мин.
Может работать с запаздывающим, опережающим или единичным коэффициентом мощности, регулируя его возбуждение.	Асинхронный или асинхронный двигатель всегда работает с отстающим коэффициентом мощности.
Его также можно одновременно использовать для коррекции коэффициента мощности, используя его в качестве опережающего коэффициента мощности.	Его нельзя использовать для корректировки коэффициента мощности, а только для управления механическими нагрузками.
Поскольку он работает с постоянной скоростью, резкое изменение нагрузки вызовет колебания потребляемого тока.	В асинхронном двигателе такого явления нет.

Вывод этой статьи заключается в том, что синхронные двигатели эффективны, но дороже и используются для приложений со сверхнизкими оборотами, предлагая при этом функцию коррекции коэффициента мощности. С другой стороны, асинхронные двигатели используются для высоких оборотов с регулируемой скоростью, при этом они недороги и просты в эксплуатации.

Связанный пост об электрических двигателях.

Асинхронный двигатель | КСБ

Асинхронный двигатель имеет пассивный ротор, который закорочен постоянно (короткозамкнутый ротор) или временно (см. Ротор с контактным кольцом). Он может производить до нескольких мегаватт и чаще всего используется в качестве стандартного трехфазного двигателя в промышленных приложениях.

Магнитное поле в асинхронном двигателе создается током намагничивания, передаваемым через предоставленную электрическую энергию.Асинхронные двигатели характеризуются скольжением, т.е. е. зависящая от нагрузки разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращающегося поля напряжения питания.

Ротор представляет собой металлическую клетку с осевыми стержнями, расположенными симметрично по кругу и прикрепленными к кольцу короткого замыкания (концевому кольцу) на каждом конце.

Статор состоит из распределенных катушек, которые индуцируют напряжение в стержнях ротора (см. Индукция) посредством вращающегося магнитного поля. Это приводит к сильному протеканию тока в короткозамкнутых стержнях, который создает силу между ротором и статором в магнитном поле и приводит к электромагнитному взаимодействию, ответственному за асинхронизм.Асинхронные двигатели подвержены значительным потерям в статоре и роторе.

В двигателях с контактным ротором трехфазная обмотка ротора подключается к переменным резисторам, обычно используемым в качестве жидкостных пускателей, через контактные кольца. Такая конструкция обеспечивает плавный процесс запуска, который не создает ударной нагрузки на сеть электропитания и позволяет в определенной степени изменять скорость. Однако это также приводит к значительным потерям мощности.

Обмотки ротора с короткозамкнутым ротором обычно состоят из одно- или двухпроводных шин, закороченных на концах кольцевым проводником.Роторы с короткозамкнутым ротором очень просты по конструкции, надежны и не требуют обслуживания. См. Рис.1 Асинхронный двигатель

Рис.1 Асинхронный двигатель: асинхронный двигатель в разрезе

В отношении контакта с водой различают двигатели с сухим ротором, погружные двигатели и двигатели с мокрым ротором. См. Рис. 2 Асинхронный двигатель

Внутреннее смачивание		Внешнее смачивание
Ротор	Обмотка	Сухой корпус	Мокрый корпус (погружной двигатель)
Сухой
Сухой	Сухой двигатель (с защитой от проникновения воды или без нее)	Сухой (заполненный воздухом) погружной двигатель
Мокрый (двигатель с мокрым ротором)	Сухой (герметичный двигатель)	Двигатель с мокрым ротором насоса с мокрым ротором	Полностью погружной (заполненный жидкостью) двигатель

Рис.2 Асинхронный двигатель: Обозначение асинхронных двигателей в зависимости от влажности

Сухой двигатель имеет различные типы защиты от проникновения воды (см. Тип защиты).

Погружной электродвигатель частично или полностью погружен в воду и обычно устанавливается в вертикальном положении. Тепло, вырабатываемое двигателем, передается непосредственно окружающей обрабатываемой жидкости. Его отличительной особенностью является корпус двигателя, который смачивается снаружи (см. Погружной электронасос).Внутреннее смачивание и глубина погружения отличают погружные двигатели с масляным или воздушным наполнением для малых и средних глубин погружения (погружные насосы для сточных вод) от полностью погружных двигателей.
См. Рис. 3, 4 Насос для сточных вод

Полностью погружные двигатели смачиваются жидкостью, находящейся внутри и снаружи. Они рассчитаны на любую глубину погружения и, прежде всего, используются в скважинах (см. Погружные скважинные насосы), поэтому они имеют небольшой диаметр и относительно длинные.Полностью погружные двигатели могут быть оснащены мокрой обмоткой статора (включая водонепроницаемую пластиковую изоляцию) или, в сочетании с корпусом, сухой обмоткой (см. Герметичный моторный насос).

Двигатель с мокрым ротором заполнен жидкостью и, в отличие от погружного двигателя, его корпус не смачивается снаружи. Он имеет подшипники с жидкостной смазкой (см. Подшипники скольжения) и образует герметичный насосный агрегат (насос с мокрым ротором) вместе с насосом. Двигатель может быть оборудован мокрой обмоткой статора или, в сочетании с баком, сухой обмоткой, и часто является предпочтительным двигателем для циркуляционных насосов.

Как использовать сервоприводы с асинхронными (асинхронными) двигателями?

Учитывая высокую стоимость изготовления синхронных серводвигателей с постоянными магнитами из редкоземельных элементов, асинхронные (индукционные) двигатели по возможности более приемлемы.

Крейг Далквист • Инженер по приложениям в Lenze Americas

Один из способов получить сервоуправление асинхронным двигателем (при напряжении питания от 400 до 480 В переменного тока) — использовать обычный двигатель 230/400 или 230/460 В переменного тока (соединение треугольником / звездой).

Обычно соединение треугольником используется для 230 В переменного тока (50/60 Гц) через линию.Но с инвертором двигатель 50 Гц с напряжением питания 400 В переменного тока может управлять 230 В переменного тока при 50 Гц.

При соблюдении правильной кривой вольт / Гц двигатель может максимизировать мощность при 87 Гц.

Крутящий момент также останется постоянным до 87 Гц, прежде чем двигатель перейдет в режим ослабления поля.

Математика для этого проста: 400/230 · 50 Гц = 87 Гц. Расчеты аналогичны для конфигурации двигателей 230/460 В переменного тока, 60 Гц. Поскольку крутящий момент остается постоянным, результирующая мощность равна номинальной мощности двигателя при 50 Гц · 1.732 (квадратный корень из 3). Номинальный ток также будет иметь коэффициент 1,732 по сравнению с номиналом 400 В перем. Тока при соединении звездой.

В результате получится двигатель, способный на 73,2% больше мощности при той же инерции ротора. Резольвер — наше самое распространенное устройство обратной связи. Резольвер надежен (благодаря отсутствию изнашиваемых деталей) и представляет собой однооборотное устройство абсолютного позиционирования (для обратной связи по углу положения ротора).

Сервоось, как правило, должна очень динамично ускоряться и замедляться для приложения.Иногда это возможно только с серводвигателем с постоянными магнитами. Когда асинхронный двигатель может соответствовать техническим требованиям приложения, обычно стоимость асинхронного двигателя намного меньше, чем серводвигателя с постоянными магнитами. Другой причиной использования асинхронного сервопривода или асинхронного двигателя является использование преимущества большей инерции ротора двигателя. Когда приложение имеет высокую инерционную нагрузку, может потребоваться меньшее рассогласование по инерции между двигателем / мотор-редуктором и нагрузкой.Кроме того, в обмотках асинхронный двигатель предлагает очень большой диапазон ослабления поля.

Применение обмоток — основная причина, по которой Lenze предлагает двигатели с номинальной частотой значительно ниже 50 или 60 Гц. Это позволяет двигателю раньше столкнуться с ослаблением поля, чтобы лучше согласовать кривую скорость-крутящий момент обмотки с двигателем.

Как и во всех конструкциях, требования к применению определяют возможности технологии двигателя. В общем, следующим шагом является определение наиболее экономичного решения для приложения. Иногда асинхронный двигатель может использоваться в приложении, которое ранее считалось приложением серводвигателя с постоянными магнитами. Или асинхронный двигатель — единственный выбор для некоторых приложений.

---

Lenze производит асинхронные серводвигатели более 25 лет. Двигатели специально разработаны для номинальных рабочих частот, которые намного выше или ниже 50 или 60 Гц. Асинхронные двигатели также специально разработаны для увеличения удельной мощности двигателя.Мощность двигателя варьируется от 80 Вт (0,107 л.с.) до 60 кВт (80 л.с.). Диапазон рабочих частот от 20 до 140 Гц. Двигатели, которые не находятся в диапазоне 50/60 Гц, необходимо подключать с помощью универсального инвертора или сервоусилителя.

Двигатели, отличные от 50/60 Гц, нельзя подключать напрямую к трехфазному источнику питания 230 (0,080–0,6 кВт) или 400/480 В переменного тока.

Синхронное обучение против асинхронного обучения

Поиск колледжей Выберите уровень образованияВыберите степень Ассоциированная степень бакалавраМагистратураДокторантураБезуниверситетские курсыСертификат / дипломСертификаты высшего образованияВыберите категориюВыберите категориюИскусство и дизайнБизнес и менеджментКомпьютеры и технологииУголовное правосудие и юриспруденцияОбразование и преподаваниеЛиберальные искусства и гуманитарные наукиПрофессиональное обучение и вспомогательные наукиПрофессиональное консультирование ИсторияCreative / DesignМодаФильмИгровой дизайнГрафический дизайнДизайн интерьераЛандшафтная архитектураМультимедийный дизайнФотографияВизуальные коммуникацииВеб-дизайнБухгалтерский учетБизнес-администрированиеБизнес-аналитикаЭкономикаУправление развлечениямиПредпринимательствоФинансыФинансовый учетСистема управления гостиничным бизнесомПрофессиональный менеджментМаркетинг-менеджментМенеджмент-менеджментЛогистика Управление недвижимостьюМенеджмент Управление недвижимостью entSmall BusinessSports ManagementSupply Chain & LogisticsTaxationTraining & DevelopmentComputer EngineeringComputer ForensicsComputer ProgrammingComputer ScienceDatabase ManagementInformation системы безопасностьИнформационная TechnologyInternet SecurityMobile DevelopmentNetwork AdministrationNetwork SecuritySoftware EngineeringWeb DevelopmentCorrectionsCrime Сцена InvestigationCriminal JusticeCriminologyCyber ​​SecurityForensic ScienceHomeland SecurityLaw EnforcementLegal StudiesParalegalPublic безопасности AdministrationAdult Образование / LearningChild DevelopmentCoachingCurriculum & InstructionEarly Детство EducationEducationEducational РекторатУчебный CounselingEducational LeadershipEducational TechnologyElementary EducationEnglish Язык LearningHigher EducationK-12 ОбразованиеБиблиотечное делоМатематическое образованиеМузыкальное образованиеОнлайн-обучениеЧтение и грамотностьСпециальное образованиеПреподавательская лицензияАнтропологияСвязьАнглийскийОбщие исследованияГеографияИсторияЧеловеческое и семейное развитиеЖурналистикаL iberal ArtsMedia CommunicationsMinistryMusicPolitical SciencePublic AdministrationPublic PolicySocial ScienceSocial WorkSociologyTheologyWritingDental AssistanceEmergency ManagementGerontologyHealth EducationHealth InformaticsHealth ScienceHealth ServicesHealthcare AdministrationHealthcare ManagementHuman ServicesMedical AssistingMedical CodingMedical Офис AdministrationNurse Практики (RN обязательно) Nursing (RN требуется) сестринское образование (RN Обязательный) Питательная SciencesPharmacyPublic HealthRN к BSN (RN требуется) Спорт MedicineSports Медицина / ФизиотерапияВетеринарный техникРентгенологическое лечениеПоведенческая психологияДетская и подростковая психологияКонсультированиеПедагогическая психологияСемейное консультированиеСудебная психологияОрганизационная психологияПсихологияАэронавтика / авиацияБиомедицинская инженерияЭкологическая инженерияЭлектронная инженерияЭлектронная инженерияЭлектронная инженерия попробуйтеУправление строительствомКулинарный техник-электрик

Основы, принцип работы и теория серводвигателя

Что такое серводвигатель?

Серводвигатель — это тип двигателя, который может вращаться с большой точностью.Обычно этот тип двигателя состоит из схемы управления, которая обеспечивает обратную связь по текущему положению вала двигателя, эта обратная связь позволяет серводвигателям вращаться с большой точностью. Если вы хотите повернуть объект на определенные углы или на определенное расстояние, вы используете серводвигатель. Он просто состоит из простого двигателя, который работает через сервомеханизм . Если двигатель питается от источника постоянного тока, он называется серводвигателем постоянного тока, а если это двигатель переменного тока, то он называется серводвигателем переменного тока.В этом руководстве мы будем обсуждать только серводвигатель постоянного тока , работающий . Помимо этих основных классификаций, существует множество других типов серводвигателей, основанных на типе редуктора и рабочих характеристиках. Серводвигатель обычно поставляется с редуктором, который позволяет нам получить серводвигатель с очень высоким крутящим моментом в небольших и легких корпусах. Благодаря этим характеристикам они используются во многих приложениях, таких как игрушечные автомобили, вертолеты и самолеты с дистанционным управлением, робототехника и т. Д.

Серводвигатели

рассчитаны на кг / см (килограмм на сантиметр), большинство серводвигателей для любительских автомобилей рассчитаны на 3 кг / см, 6 кг / см или 12 кг / см. Этот кг / см показывает, какой вес ваш серводвигатель может поднять на определенное расстояние. Например: серводвигатель 6 кг / см должен быть в состоянии поднять 6 кг, если груз подвешен на расстоянии 1 см от вала двигателя. Чем больше расстояние, тем меньше грузоподъемность. Положение серводвигателя определяется электрическим импульсом, а его электрическая схема размещается рядом с двигателем.

Рабочий механизм серводвигателя

Состоит из трех частей:

1. Управляемое устройство
2. Выходной датчик
3. Система обратной связи

Это замкнутая система, в которой используется система положительной обратной связи для управления движением и конечным положением вала. При этом устройство управляется посредством сигнала обратной связи, генерируемого посредством сравнения выходного сигнала и опорного входного сигнала.

Здесь опорный входной сигнал сравнивается с опорным выходным сигналом, а третий сигнал вырабатывается системой обратной связи.И этот третий сигнал действует как входной сигнал для управления устройством. Этот сигнал присутствует, пока генерируется сигнал обратной связи или существует разница между опорным входным сигналом и опорным выходным сигналом. Таким образом, основная задача сервомеханизма — поддерживать выход системы на желаемом уровне при наличии шумов.

Принцип работы серводвигателя

Сервопривод состоит из двигателя (постоянного или переменного тока), потенциометра, редуктора и цепи управления.Прежде всего, мы используем редуктор в сборе для уменьшения оборотов и увеличения крутящего момента двигателя. Скажем, в исходном положении вала серводвигателя положение ручки потенциометра таково, что на выходном порте потенциометра не генерируется электрический сигнал. Теперь электрический сигнал подается на другой вход усилителя детектора ошибок. Теперь разница между этими двумя сигналами, один исходит от потенциометра, а другой исходит от других источников, будет обработана в механизме обратной связи, и на выходе будет предоставлен сигнал ошибки.Этот сигнал ошибки действует как вход для двигателя, и двигатель начинает вращаться. Теперь вал двигателя соединен с потенциометром, и, когда двигатель вращается, потенциометр и он будут генерировать сигнал. Таким образом, при изменении углового положения потенциометра изменяется его выходной сигнал обратной связи. Через некоторое время положение потенциометра достигнет положения, при котором выходной сигнал потенциометра будет таким же, как и внешний сигнал. В этом состоянии выходной сигнал от усилителя на вход двигателя не поступает, поскольку нет разницы между внешним приложенным сигналом и сигналом, генерируемым на потенциометре, и в этой ситуации двигатель перестает вращаться.

Взаимодействие серводвигателей с микроконтроллерами:

Подключить хобби-серводвигатели, такие как серводвигатель s90, к MCU очень просто. Сервоприводы имеют три выхода из них . Два из них будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен от MCU. Серводвигатель MG995 с металлической шестерней , который чаще всего используется для гуманоидных роботов на радиоуправляемых машинах и т. Д. Изображение MG995 показано ниже:

Цветовая кодировка вашего серводвигателя может отличаться, поэтому проверьте соответствующий лист данных.

Все серводвигатели работают напрямую с вашими шинами питания +5 В, но мы должны быть осторожны с величиной тока, потребляемого двигателем, если вы планируете использовать более двух серводвигателей, необходимо спроектировать надлежащий сервозащитный экран.

Управляющий серводвигатель:

У всех двигателей три выходящих провода. Два из них будут использоваться для питания (положительный и отрицательный), а один будет использоваться для сигнала, который должен быть отправлен от MCU.

Серводвигатель

управляется ШИМ (импульс с модуляцией), который обеспечивается проводами управления. Есть минимальный импульс, максимальный пульс и частота повторения. Серводвигатель может поворачиваться на 90 градусов в любом направлении из нейтрального положения. Серводвигатель ожидает увидеть импульс каждые 20 миллисекунд (мс), и длина импульса будет определять, насколько далеко двигатель вращается. Например, импульс 1,5 мс заставит двигатель повернуться в положение 90 °, например, если импульс короче 1,5 мс, вал перемещается на 0 ° и если он длиннее 1.5 мс, чем он повернет сервопривод на 180 °.

Серводвигатель

работает по принципу PWM (широтно-импульсная модуляция). означает, что его угол поворота контролируется длительностью импульса, подаваемого на его контрольный PIN. В основном серводвигатель состоит из двигателя постоянного тока , который управляется переменным резистором (потенциометром) и некоторыми шестернями . Сила высокой скорости двигателя постоянного тока преобразуется в крутящий момент с помощью шестерен. Мы знаем, что РАБОТА = СИЛА X РАССТОЯНИЕ, в двигателе постоянного тока сила меньше, а расстояние (скорость) высокое, а в сервоприводе сила высокая, а расстояние меньше.Потенциометр подключен к выходному валу сервопривода, чтобы рассчитать угол и остановить двигатель постоянного тока на требуемом угле.

Серводвигатель можно вращать от 0 до 180 градусов, но он может поворачиваться до 210 градусов, в зависимости от производства. Этой степенью вращения можно управлять, применяя Electrical Pulse соответствующей ширины к его контрольному выводу. Сервопривод проверяет пульс каждые 20 миллисекунд. Импульс длительностью 1 мс (1 миллисекунда) может повернуть сервопривод на 0 градусов, 1.5 мс можно повернуть на 90 градусов (нейтральное положение), а импульс 2 мс может повернуть его на 180 градусов.

Все серводвигатели работают напрямую с вашими шинами питания +5 В, но мы должны быть осторожны с величиной тока, потребляемого двигателем, если вы планируете использовать более двух серводвигателей, необходимо спроектировать надлежащий сервозащитный экран.

Чтобы узнать больше о принципе работы серводвигателя и его практическом использовании, ознакомьтесь с приведенными ниже приложениями, в которых управление серводвигателем объясняется на примерах:

Асинхронный двигатель

: конструкция, работа и различия

Асинхронный двигатель является наиболее широко используемым двигателем в отрасли. Практически невозможно представить себе отрасль без использования этого двигателя, поскольку он работает на субсинхронной скорости. известен как асинхронный двигатель.Взяв на себя такую ​​важную роль, становится необходимо изучить ее подробно. В этой статье обсуждается обзор асинхронного двигателя, такой как его определение, работа, конструкция, различия и применения.

Что такое асинхронный двигатель?

Определение: Двигатель переменного тока, в котором статор не синхронизирован с ротором и может вращаться со скоростью, меньшей, чем синхронная скорость, из-за скольжения. Это связано с тем, что вращающееся магнитное поле не взаимодействует с индуцированным полем ротора.В этом двигателе крутящий момент создается, когда ротор не совпадает по фазе со статором, а ток, индуцируемый в роторе, следует закону Ленца.

асинхронный двигатель

Однако, если ротор каким-то образом выровняется со статором, это приведет к блокировке ротора и крутящего момента не будет. Этот двигатель всегда работает с запаздывающим коэффициентом мощности, так как ротор отстает от статора. Коэффициент мощности этого двигателя в основном зависит от конструкции и тока нагрузки, в отличие от синхронного двигателя, где его можно легко изменить, изменив ток возбуждения.

Работа асинхронного двигателя

Этот двигатель работает по принципу закона Ленца, который гласит, что направление тока, индуцируемого в проводнике за счет изменения магнитного поля, таково, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током, противодействует изменяющемуся магнитному полю, которое создает Это.

Изменяющееся магнитное поле создается трехфазным или разделенным фазным током, подаваемым на обмотку статора, и поскольку это магнитное поле разрезает проводники ротора, создавая индуцированный ток в роторе, который противодействует изменяющемуся магнитному полю статора.И таким образом создавая вращательное движение.
Работа этого мотора будет продолжена по мере обсуждения конструкции и дизайна.

Конструкция асинхронного двигателя / Конструкция асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель доступен в двух типах

• Скользящий кольцевой тип или с фазным ротором
• Тип с короткозамкнутым ротором или с короткозамкнутым ротором

асинхронный -motor-Construction

Первый тип, т.е. контактные кольца, состоит из реальной обмотки в пазах ротора, которая соединена с контактными кольцами.В этом двигателе мы можем создавать сопротивление ротора через контактные кольца и щетки. Это позволяет нам изменять пусковые характеристики двигателя.

Тип с короткозамкнутым ротором имеет стержни ротора на роторе, которые закорочены через кольца с обеих сторон. Этот тип двигателя имеет фиксированные пусковые характеристики, которые нельзя изменить путем добавления дополнительного сопротивления.

Тип контактных колец требует технического обслуживания, так как дополнительно имеет контактные кольца и щетки, которые подвержены износу.Остальные основные части, такие как

• Статор
• Ротор
• Обмотки статора
• Обмотки ротора (для типа ротора с фазным ротором) и стержни клетки с короткозамыканием (для двигателя с короткозамкнутым ротором)
• Кроме того, этот двигатель также имеет :
• Подшипники
• Торцевые крышки
• Вентилятор двигателя с крышкой.
• Клеммная коробка

Статор и ротор изготовлены из штамповок из кремнистой стали. Это сделано для уменьшения потерь из-за вихревых токов и гистерезиса. Статор может быть подключен к трехфазному источнику питания по схеме треугольника или треугольника. звезда.

Когда мы подаем питание на статор, потребляемый ток делится на две составляющие, одна из которых является составляющей возбуждения, а другая составляющей нагрузки. Созданное таким образом циркулирующее магнитное поле вызывает циркуляционное движение в роторе. Все перечисленные выше детали облегчают вращательное движение ротора.

Разница между асинхронным двигателем и синхронным двигателем

Основное различие между ними заключается в скорости, синхронный двигатель вращается со скоростью, которая является скоростью вращающегося магнитного поля и определяется как 120 f / p, где ‘f’ — частота питания, а p — число полюсов.

В то время как асинхронный двигатель имеет скорость, которая всегда меньше синхронной скорости из-за скольжения. Можно сказать, что Nas = 120f / p-скольжение. Где Nas означает асинхронную скорость, или мы также можем сказать Nas

Различие можно увидеть в различных аспектах:

Технические характеристики	Синхронный двигатель	Асинхронный двигатель
Тип	Двигатели с самозапуском двигатели и двигатели статического возбудителя — это типы двигателей, доступные в синхронном диапазоне.	Асинхронный двигатель переменного тока с ротором в клетке или с фазным ротором является асинхронным двигателем
Скольжение	В синхронном двигателе скольжение равно нулю	В этом двигателе скольжение не равно нулю
Требование дополнительного источника питания	В синхронном двигателе требуется дополнительный источник питания для возбуждения двигателя	В случае асинхронного двигателя дополнительный источник питания не требуется
Контактное кольцо и щетки	В синхронном двигателе обычно требуются токосъемные кольца и щетки.	В этом двигателе контактные кольца и щетки не требуются.
Стоимость	Стоимость синхронного двигателя выше	Стоимость асинхронного двигателя ниже.
КПД	КПД синхронного двигателя выше	КПД этого двигателя ниже.
Коэффициент мощности	В этом двигателе коэффициент мощности можно изменить путем изменения тока возбуждения.	Этот двигатель всегда работает с запаздывающими коэффициентами мощности, которые нельзя изменить.
Скорость	В этом двигателе скорость не зависит от нагрузки	В этом двигателе скорость уменьшается с нагрузкой.
Пуск	Синхронный двигатель не самозапускается, однако его можно запустить как трехфазный асинхронный двигатель, и после достижения почти синхронной скорости он может работать как синхронный двигатель.	Этот двигатель самозапускается и может быть легко запущен с помощью подходящего распределительного устройства.
Техническое обслуживание	Синхронный двигатель требует высокого технического обслуживания	Асинхронный двигатель требует низкого технического обслуживания
Крутящий момент	Изменение напряжения не влияет на крутящий момент синхронного двигателя	Крутящий момент этого двигателя пропорционален квадрату напряжения.
Приложения	Синхронный двигатель используется там, где потребность в мощности высока, например, на сталелитейных заводах / электростанциях и т. Д.	Эти двигатели очень широко используются во всех небольших приложениях. Этот двигатель также используется в качестве синхронного конденсатора для повышения коэффициента мощности.

Применения

• Этот двигатель находит самое широкое применение в промышленности, поскольку он очень надежен, не требует обслуживания и экономичен. Эти двигатели используют почти 70% энергии в промышленности.
• Трудно представить себе отрасль, в которой не используются эти двигатели,
• А именно, бумага, металл, пищевая, перерабатывающая промышленность, такая как цемент, удобрения, насос, транспортировка и т. Д. принципиальная разница между синхронным и асинхронным двигателем?

  Основное отличие заключается в том, что асинхронный двигатель — это двигатель с фиксированной скоростью (синхронный), тогда как скорость асинхронного двигателя всегда меньше синхронной скорости.

  2) Почему асинхронный двигатель находит очень широкое применение в промышленности, а синхронный — нет?

  Этот двигатель практически не требует обслуживания и экономичен.

  3) Можно ли изменить коэффициент мощности асинхронного двигателя?

  Нет, коэффициент мощности этого двигателя не может быть изменен, он немного изменится только с нагрузкой.

  4) Может ли асинхронный двигатель когда-либо работать с опережающим коэффициентом мощности, как у синхронного двигателя?

  Нет, этот двигатель никогда не может работать с опережающим коэффициентом мощности.

  5). Что произойдет с крутящим моментом в асинхронном двигателе, если напряжение питания изменится?

  В этом двигателе крутящий момент прямо пропорционален квадрату напряжения

  6). каково будет влияние изменения частоты на асинхронный двигатель?

  Изменение частоты в некоторой степени влияет на частоту вращения двигателя.