Двигатель переменного тока устройство и принцип действия. Двигателя переменного тока


Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Двигатель переменного тока работа

Из названия следует, что особенностью данного рода электрических двигателей (ЭД) является то, что они работают на переменном токе. Если при постоянном токе электрические частицы следуют только в одном направлении, и могут в определенный момент времени менять свою интенсивность (разность потенциалов или напряжение), то у переменного тока имеются другие характеристики — такие как частота, форма и длительность. Что повлияло на конструкцию и принцип действия электродвигателей переменного тока. В статье разберём основные аспекты работы ЭД переменного тока.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Двигатель переменного тока классификация и принцип работы

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Электродвигатели переменного тока это электротехнические устройства, являющиеся своеобразными преобразователями электрической энергии, в основе принципа которых которых лежат электромагнитные силы Лоренца и явление электромагнитной индукции. работающие на переменном токе. ЭД и генераторы переменного тока по принципу действия классифицируют на синхронные и асинхронные. Что бы было понятно дальнейшее объяснение хочу поведать о следующем.

Главной отличительной чертой электрических машин переменного тока является то, что электрическую энергию преобразуют в механическую или наоборот, с помощью взаимодействие магнитных полей, одно из них является вращающимся, динамическим (генерируемое при движении переменного тока, а другое поле в статическое, постоянное. Поэтому, для получения движения ротора движущееся поле должно взаимодействовать с постоянным, что и создает механическое движение вала ЭД.

Общий принцип действия асинхронной электрической машины состоит в следующем. На статоре ЭД намотаны три обмотки, к которым подсоединены три фазы. Из курса электротехники мы знаем, что трехфазный ток это циклическое изменение величины тока и напряжения плавно перетекающее по синусойде. То есть, максимум мощности плавно перетекает из одной точки, обмотки в другую, понятно что, при этом, на противоположной стороне синусойды будет минимум мощности. Так вот при подачи трехфазного напряжения на обмотки статора асинхронного ЭД мы имеем в результате вращающееся магнитное поле, частота которого равна частоте питающей сети, в России это 50 Гц.

Из курса физики и общей электротехники мы знаем, что при движении проводника в переменное магнитное поле на его концах генерируется разность потенциалов, а если его концы подсоединить к какой нибудь цепи, то через нее, потечет ток, образующий вокруг себя свое собственное магнитное поле. Вот этот принцип работы и лежит в асинхронных электрических машинах. Внутри нее расположен короткозамкнутый ротор. Во вращающемся магнитном поле на нем появляется ЭДС и у него создается собственное магнитное поле, что и отталкивается от поля статора.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Асинхронный двигатель. Устройство и принцип работы

Работа асинхронного двигателя основана на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле генерирует в роторной обмотке.

У синхронных ЭД подобного отставания нет. Там поле индуктора как бы цепляется за вращающееся поле якоря, что и ведет к синхронной работе обоих магнитных полей. Если в асинхронниках статическое поле является следствием работы динамического, то в синхронниках в определённом смысле причины появления вращающегося полями и поля статического независимы друг от друга, но их взаимодействие и позволяет осуществлять работу ЭД переменного тока.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Cинхронный двигатель. Принцип работы

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Синхронный двигатель – это разновидность электродвигателей, только работающих от переменного напряжения, при этом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Именно поэтому она остается постоянной вне зависимости от нагрузки, т.к ротор синхронного двигателя – это обычный электромагнит и его, количество пар полюсов совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Поэтому взаимодействие этих полюсов обеспечивает постоянство угловой скорости, с которой крутится ротор.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Устройство, принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель – это машина переменного тока. Слово «асинхронный» означает неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Основными частями машины являются статор и ротор, отделенные друг от друга равномерным воздушным зазором.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Рис.1. Устройство асинхронных двигателей

Статор – неподвижная часть машины (рис. 1, а ). Его сердечник с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака. В пазы магнитопровода статора укладывается обмотка. В трехфазных двигателях обмотка трехфазная. Фазы обмотки могут соединяться в звезду или в треугольник в зависимости от величины напряжения сети.

Ротор – вращающаяся часть двигателя. Магнитопровод ротора представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали (рис. 1, б. в ). В пазах ротора укладывают обмотку, в зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные (с контактными кольцами). Короткозамкнутая обмотка представляет собой неизолированные медные или алюминиевые стержни (рис. 1, г ), соединенные с торцов кольцами из этого же материала («беличья клетка»).

У фазного ротора (см. рис. 1, в ) в пазах магнитопровода уложена трехфазная обмотка, фазы которой соединены звездой. Свободные концы фаз обмотки присоединены к трем медным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. Контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К кольцам прижаты угольные или медно-графитные щетки. Через контактные кольца и щетки в обмотку ротора можно включить трехфазный пуско-регулировочный реостат.

Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Вращающееся магнитное поле это постоянный поток, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью.

Необходимыми условиями возбуждения вращающегося магнитного поля являются:

— пространственный сдвиг осей катушек статора,

— временной сдвиг токов в катушках статора.

Первое требование удовлетворяется соответствующим расположением намагничивающих катушек на магнитопроводе статора. Оси фаз обмотки смещены в пространстве на угол 120º. Второе условие обеспечивается подачей на катушки статора трехфазной системы напряжений.

При включении двигателя в трехфазную сеть в обмотке статора устанавливается система токов одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода.

Токи фаз обмотки создают магнитное поле, вращающееся относительно статора с частотой n1. об/мин, которая называется синхронной частотой вращения двигателя:

где f1 – частота тока сети, Гц;

р – число пар полюсов магнитного поля.

При стандартной частоте тока сети Гц частота вращения поля по формуле (1) и в зависимости от числа пар полюсов имеет следующие значения:

Вращаясь, поле пересекает проводники обмотки ротора, наводя в них ЭДС. При замкнутой обмотке ротора ЭДС вызывает токи, при взаимодействии которых с вращающимся магнитным полем возникает вращающий электромагнитный момент. Частота вращения ротора в двигательном режиме асинхронной машины всегда меньше частоты вращения поля, т.е. ротор «отстает» от вращающегося поля. Только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент. Явление отставания ротора от магнитного поля называется скольжением. Степень отставания ротора от магнитного поля характеризуется величиной относительного скольжения

где n2 – частота вращения ротора, об/мин.

Для асинхронных двигателей скольжение может изменяться в пределах от 1 (пуск) до величины, близкой к 0 (холостой ход).

185.154.22.117 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Устройство электродвигателя переменного тока

Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.

Для общей информации, рекомендуем прочитать нашу отдельную статью о принципах работы электродвигателей .

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Электродвигатель переменного тока промышленного типа

Принцип преобразования энергии

Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.

Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.

Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.

Виды двигателей и их устройство

Электрические двигатели переменного тока имеют различное устройство, благодаря которому можно создавать машины с одинаковой частотой вращения ротора относительно магнитного поля статора, и такие машины, где ротор «отстает» от вращающегося поля. По данному принципу эти двигатели разделяют на соответствующие типы: синхронные и асинхронные.

Асинхронные

Основу конструкции асинхронного электродвигателя составляет пара важнейших функциональных частей:

  1. Статор – блок цилиндрической формы, сделанный из листов стали с пазанми для укладки токопроводящих обмоток, оси которых располагаются под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса обмоток уходят на клеммную коробку, где подключаются разными способами, в зависимости от необходимых параметров работы электродвигателя.
  2. Ротор. В конструкции асинхронных электродвигателей используются роторы двух видов:
    • Короткозамкнутый. Называется так, потому что изготавливается из нескольких алюминиевых или медных стержней, накоротко замкнутых с помощью торцевых колец. Эта конструкция, представляющая собой токоповодящую обмотку ротора, называется в электромеханике «беличьей клеткой».
    • Фазный. На роторах данного типа устанавливается трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора. Чаще всего концы её проводников идут в клеммную площадку, где соединяются «звездой», а свободные концы подключаются к контактным кольцам. Фазный ротор позволяет с помощью щеток добавить в цепь обмотки добавочный резистор, позволяющий изменять сопротивление для уменьшения пусковых токов.

Помимо описанных ключевых элементов асинхронного электродвигателя, в его конструкцию также входит вентилятор для охлаждения обмоток, клеммная коробка и вал, передающий генерируемое вращение на рабочие механизмы оборудования, работа которого обеспечивается данным двигателем.

Работа асинхронных электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции, утверждающем, что электродвижущая сила может возникнуть лишь в условиях разности скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Таким образом, если бы эти скорости были равны, ЭДС не могла бы появиться, но воздействие на вал таких «тормозящих» факторов, как нагрузка и трение подшипников, всегда создает достаточные для работы условия.

Синхронные

Конструкция синхронных электродвигателей переменного тока несколько отлична от устройства асинхронных аналогов. В этих машинах ротор крутится вокруг своей оси со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора. Ротор или якорь этих устройств тоже оснащается обмотками, которые одними концами подключены друг к другу, а другими – к вращающемуся коллектору. Контактные площадки на коллекторе смонтированы так, что в определенный момент времени возможна подача питания через графитовые щетки лишь на два противоположных контакта.

Принцип работы синхронных электродвигателей:

  1. При взаимодействии магнитного потока в обмотке статора с током ротора возникает вращающий момент.
  2. Направление движения магнитного потока изменяется одновременно с направлением переменного тока, благодаря чему сохраняется вращение выходного вала в одну сторону.
  3. Настройка нужной частоты вращения осуществляется регулировкой входящего напряжения. Чаще всего, в быстроходном оборудовании, например, перфораторах и пылесосах, эту функцию выполняет реостат.

Чаще всего причинами выхода синхронных электродвигателей из строя является:

  • износ графитовых щеток или ослабление прижимной пружины;
  • износ подшипников вала;
  • загрязнение коллектора (чистится наждачной бумагой или спиртом).

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Трехфазный генератор переменного тока

История изобретения

Изобретение простейшего способа преобразования энергии из электрической в механическую принадлежит Майклу Фарадею. В 1821 году этот великий английский ученый провел эксперимент с проводником, опущенным в сосуд с ртутью, на дне которого лежал постоянный магнит. После подачи электричества на проводник он приходил в движение, вращаясь соответственно силовым линиями магнитного поля. В наши дни этот опыт часто проводят на уроках физики, заменяя ртуть рассолом.

Дальнейшее изучение вопроса привело к созданию Питером Барлоу в 1824 году униполярного двигателя, названного колесом Барлоу. В его конструкцию входят два зубчатых колеса из меди, расположенных на одной оси между постоянными магнитами. После подачи тока на колеса, в результате его взаимодействия с магнитными полями, колеса начинают вращаться. Во время опытов ученый установил, что направление вращения можно изменить, поменяв полярность (перестановкой магнитов или контактов). Практического применения «колесо Барлоу», но сыграло важную роль в изучении взаимодействия магнитных полей и заряженных проводников.

Первый рабочий образец устройства, ставшего прародителем современных двигателей, был создан русским физиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Принцип использования вращающегося ротора в магнитном поле, продемонстрированный в этом изобретении, практически в неизменном виде применяется современных двигателях постоянного тока.

А вот создание первого двигателя с асинхронным принципом работы принадлежит сразу двум ученым – Николе Тесла и Галилео Феррарис, по удачному стечению обстоятельств продемонстрировавшим свои изобретения в один год (1888). Через несколько лет двухфазный бесколлекторный двигатель переменного тока, созданный Николой Тесла уже использовался на нескольких электростанциях. В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский усовершенствовал изобретение Теслы для работы в трехфазной сети, благодаря чему смог создать первый асинхронный двигатель переменного тока мощностью более 100 Вт. Ему же принадлежит изобретение используемых сегодня способов подключения фаз в трехфазных электродвигателях: «звезда» и «треугольник», пусковых реостатов и трехфазных трансформаторов.

Двигатель переменного тока устройство и принцип действия

Система переменного тока, предложенная Вестингаузом

Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания

По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.

Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.

Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным. В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»). Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.

Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.

На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.

Преимущества и недостатки электрических двигателей переменного тока

В наши дни среди всех электродвигателей устройства для переменного тока занимают лидирующую позицию по объему использования в силовых установках. Они обладают низкой себестоимостью, простой в обслуживании конструкцией и КПД не менее 90%. Кроме того, их устройство позволяет плавно изменять скорость вращения, не прибегая к помощи дополнительного оборудования вроде коробок передач.

Главным недостатком двигателей переменного тока с асинхронным принципом работы является тот факт, что регулировать их частоту вращения вала можно только изменяя входную частоту тока. Это не позволяет добиться постоянной скорости вращения, а также снижает мощность. Для асинхронных электродвигателей характерны высокие пусковые токи, но низкий пусковой момент. Для исправления этих недостатков применяется частотный привод, однако его цена противоречит одному из главных достоинств этих двигателей – низкой себестоимости.

Слабым местом синхронного двигателя является его сложная конструкция. Графитовые щетки довольно быстро выходят из строя под нагрузкой, а также теряют плотный контакт с коллектором из-за ослабления прижимной пружины. Кроме того, эти двигатели, как и асинхронные аналоги, не защищены от износа подшипников вала. К недостаткам также относится более сложный пуск, необходимость наличия источника постоянного тока и исключительно частотная регулировка частоты вращения.

Применение

На сегодняшний день электродвигатели со спецификацией на переменный ток распространены во всех сферах промышленности и жизнедеятельности. На электростанциях они устанавливаются в качестве генераторов, используются в производственном оборудовании, автомобилестроении и даже бытовой технике. Сегодня в каждом доме можно встретить как минимум одно устройство с электрическим двигателем переменного тока, например, стиральную машину. Причины столь большой популярности заключаются в универсальности, долговечности и легкости обслуживания.

Среди асинхронных электрических машин наибольшее распространение получили устройства с трехфазной спецификацией. Они являются наилучшим вариантом для использования во многих силовых агрегатах, генераторах и высокомощных установках, работа которых связана с необходимостью контроля скорости вращения вала.

Поделиться с друзьями:

Источники: http://www.texnic.ru/books/electrotex/el027.htm, http://studopedia.ru/10_130200_ustroystvo-printsip-deystviya-asinhronnogo-dvigatelya.html, http://tokidet.ru/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/ustroystvo-motora-peremennogo-toka.html

electricremont.ru

Асинхронный Двигатель Переменного Тока: Подключение, Ремонт

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Кольца контактные

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

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.

elektrik-a.su

Электродвигатель переменного тока — асинхронный, коллекторный, однофазный и трехфазный

АСИНХРОННЫЙ - КОЛЛЕКТОРНЫЙ

Легкость преобразования напряжения переменного тока сделала его наиболее широко используемым в электроснабжении. В сфере конструирования электродвигателей открылось другое достоинство переменного тока: возможность создания вращающегося магнитного поля без дополнительных преобразований или с их минимальным количеством.

Электродвигатели переменного тока

Поэтому, даже несмотря на определенные потери из-за реактивного (индуктивного) сопротивления обмоток, простота создания электродвигателей переменного тока внесла свой вклад в победу над электроснабжением постоянным током в начале XX века.

Принципиально электродвигатели переменного тока можно разделить на две группы:

Асинхронные B них вращение ротора отличается по скорости от вращения магнитного поля, благодаря чему они могут работать на самых разных оборотах. Этот тип электродвигателей переменного тока наиболее распространен в наше время. Синхронные Эти двигатели имеют жесткую связь оборотов ротора и скорости вращения магнитного поля. Они сложнее в производстве и менее гибки в применении (изменение оборотов при фиксированной частоте питающей сети возможно только изменением числа полюсов статора).

Они находят применение только на высоких мощностях в несколько сотен киловатт, где их больший по сравнению с асинхронными электродвигателями КПД значительно снижает тепловые потери.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА АСИНХРОННЫЙ

Наиболее распространенный тип асинхронного двигателя – это электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», где в наклонные пазы ротора уложен набор токопроводящих стержней, с торцов соединенных кольцами.

Электродвигатели переменного тока асинхронные

История этого типа электродвигателей насчитывает более сотни лет, когда было замечено, что токопроводящий предмет, помещенный в зазор сердечника электромагнита переменного тока, стремится вырваться из него за счет возникновения в нем ЭДС индукции с противонаправленным вектором.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет каких-либо механических контактирующих узлов, кроме опорных подшипников ротора, что обеспечивает моторам такого типа не только низкую цену, но и высочайшую долговечность. Благодаря этому электродвигатели такого типа стали наиболее распространенными в современной промышленности.

Однако им присущи и определенные недостатки, которые приходится учитывать при проектировании асинхронных электродвигателей подобного типа:

Высокий пусковой ток – так как в момент включения асинхронного бесколлекторного электродвигателя в сеть на реактивное сопротивление обмотки статора еще не влияет магнитное поле, создаваемое ротором, возникает сильный бросок тока, в несколько раз превосходящий номинальный ток потребления.

Эту особенность работы двигателей подобного типа необходимо закладывать во все проектируемое электроснабжение во избежание перегрузок, особенно при подключении асинхронных электродвигателей к мобильным генераторам с ограниченной мощностью.

Низкий пусковой момент – электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой имеют ярко выраженную зависимость крутящего момента от оборотов, поэтому их включение под нагрузкой крайне нежелательно: значительно увеличиваются время выхода на номинальный режим и пусковые токи, обмотка статора перегружается.

Так, например, происходит при включении глубинных насосов – в электроцепях их питания приходится учитывать пяти-семикратный запас по току.

Невозможность непосредственного запуска в цепях однофазного тока — для того, чтобы ротор начал вращаться, необходим стартовый толчок либо введение дополнительных фазных обмоток, сдвинутых по фазе друг относительно друга.

Для запуска асинхронного электродвигателя переменного тока в однофазной сети используется либо вручную коммутируемая пусковая обмотка, отключаемая после раскрутки ротора, либо вторая обмотка, включенная через фазовращательный элемент (чаще всего – конденсатор необходимой емкости).

Особенности подключения электрических двигателей рассматриваются на этой странице.

Отсутствие возможности получения высокой частоты вращения — хотя вращение ротора и не синхронизировано с частотой вращения магнитного поля статора, но и не может его опережать, поэтому в сети 50 Гц максимальные обороты для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором – не более 3000 об/мин.

Увеличение частоты вращения асинхронного двигателя требует применения частотного преобразователя (инвертора), что делает такую систему дороже, чем коллекторный двигатель. Кроме того, при увеличении частоты возрастают реактивные потери.

Трудность организации реверса — для этого необходима полная остановка двигателя и перекоммутация фаз, в однофазном варианте – смещение фазы в пусковой или второй фазной обмотке.

Наиболее удобно использование асинхронного электродвигателя в промышленной трехфазной сети, так как создание вращающегося магнитного поля при этом осуществляется самими фазными обмотками без дополнительных приспособлений.

Фактически цепь, состоящую из трехфазных генератора и электромотора, можно рассматривать как пример электро трансмиссии: привод генератора создает в нем вращающееся магнитное поле, преобразуемое в колебания электрического тока, в свою очередь возбуждающего вращение магнитного поля в электродвигателе.

Кроме того, именно при трехфазном питании асинхронные электродвигатели имеют наибольший КПД, так как в однофазной сети создаваемое статором магнитное поле по сути может быть разложено на два противофазных, что увеличивает бесполезные потери на перенасыщение сердечника. Поэтому мощные однофазные электродвигатели как правило выполняются по коллекторной схеме.

В начало

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА КОЛЛЕКТОРНЫЙ

В электромоторах данного типа магнитное поле ротора создается фазными обмотками, подключенными к коллектору. Фактически коллекторный двигатель переменного тока отличается от двигателя постоянного тока только тем, что в его расчет заложено реактивное сопротивление обмоток.

В ряде случаев даже создаются универсальные коллекторные двигатели, где статорная обмотка имеет отвод от неполной части для включения в сеть переменного тока, а к полной длине обмотки может подключаться источник тока постоянного.

Преимущества данного типа двигателей очевидны:

Возможность работы на высоких оборотах позволяет создавать коллекторные электромоторы с частотой вращения до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту, знакомые всем по электрическим бормашинам.

Отсутствие необходимости в дополнительных пусковых устройствах в отличие от двигателей с короткозамкнутым ротором.

Высокий пусковой момент, что ускоряет выход на рабочий режим, в том числе и под нагрузкой. Более того, крутящий момент коллекторного электродвигателя обратно пропорционален оборотам и при росте нагрузки позволяет избежать просадки частоты вращения.

Легкость управления оборотами — так как они зависят от напряжения питания, для регулировки частоты вращения в широчайших пределах достаточно иметь простейший симисторный регулятор напряжения. При отказе регулятора коллекторный двигатель может быть включен в сеть напрямую.

Меньшая инерция ротора — он может быть выполнен гораздо более компактным, чем при короткозамкнутой схеме, благодаря чему и сам коллекторный двигатель становится заметно меньше.

Также коллекторный двигатель элементарно может быть реверсирован, что особенно актуально при создании различного рода электроинструмента и ряда станков.

По этим причинам коллекторные двигатели широко распространены во всех однофазных потребителях, где необходимо гибкое регулирование оборотов: в ручном электроинструменте, пылесосах, кухонной технике и так далее. Однако ряд конструктивных особенностей определяет специфику эксплуатации коллекторного электродвигателя:

Коллекторные двигатели требуют регулярной замены щеток, изнашивающихся со временем. Изнашивается и сам коллектор, в то время как двигатель с короткозамкнутым ротором, как уже писалось выше, при условии нечастой замены подшипников практически вечен.

Неизбежное искрение между коллектором и щетками (причина появления всем знакомого запаха озона при работе коллекторного электродвигателя) не только дополнительно снижает ресурс, но и требует повышенных мер безопасности при работе из-за вероятности воспламенения горючих газов или пыли.

В начало

© 2012-2018 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

eltechbook.ru

Типы и виды электродвигателей — переменного и постоянного тока, коллекторные, асинхронные, прямого привода

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА - ПОСТОЯННОГО

Одним из основных стимулов к широкой электрификации, начавшейся в XX веке, стала возможность легкого преобразования энергии электрического тока в механическую — к тому времени уже был известен коллекторный электродвигатель, изобретенный Якоби еще в первой половине XIX века.

Изобретение асинхронного двигателя переменного тока стало еще большим шагом вперед. Электромотор лишился механически трущихся и искрящих узлов (щеток и коллектора), превзойдя по бесшумности и ресурсу любой другой существовавший в то время тип привода.

Виды электродвигателей

Независимо от конструкции, любой электродвигатель устроен одинаково: внутри цилиндрической проточки в неподвижной обмотке (статоре) вращается ротор, в котором возбуждается магнитное поле, приводящее к отталкиванию его полюсов от статора.

Поддержание постоянного отталкивания требует либо перекоммутации обмоток ротора, как это делается на коллекторных электродвигателях, либо создания вращающегося магнитного поля в самом статоре (классический пример – асинхронный трехфазный двигатель).

Достоинства электродвигателей переоценить трудно. Это:

Крайняя простота. Электродвигатель состоит из минимального количества узлов, поэтому ломаться в нем практически нечему. Самостоятельный запуск. Электродвигателю не нужен пусковой импульс, он начинает вращаться сам при включении питания (исключение – однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой, но они практически вышли из употребления). Это позволяет отказаться от холостого хода, включая электромотор только при необходимости. Отсутствие вибраций. Так как в электродвигателях энергия магнитного поля непосредственно преобразуется во вращение, при должной балансировке ротора они полностью бесшумны и не создают вибрации. Легкость управления оборотами и крутящим моментом. Несмотря на то, что на разных типах электродвигателей это достигается разными способами, управление ими в любом случае достаточно просто и надежно. Возможность реверса. На коллекторном двигателе достаточно поменять местами полюса якоря, на трехфазном электромоторе – изменить порядок включения фаз. Обратимость. Коллекторные электродвигатели при внешнем приводе начинают работать как электрогенераторы, что позволяет использовать их для рекуперации энергии при торможении электротранспорта.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Благодаря удобству передачи на большие расстояния и легкости преобразования переменный ток успешно стал стандартом электроснабжения. В сфере же производства электродвигателей его способность возбуждать переменное магнитное поле в статоре и соответственно индуцировать ток в короткозамкнутой обмотке ротора позволила создать асинхронные электродвигатели. В этом типе двигателей единственным испытывающим трение узлом остаются коренные подшипники якоря.

Ротор такого электродвигателя – это металлический цилиндр, в пазы которого под углом к оси вращения запрессованы или залиты токопроводящие жилы, на торцах ротора объединенные кольцами в одно целое. Переменное магнитное поле статора возбуждает в роторе, напоминающем беличье колесо, противоток и, соответственно, отталкивающее его от статора магнитное поле.

В зависимости от числа обмоток статора асинхронный двигатель может быть:

Однофазным – в этом случае главным недостатком двигателя становится невозможность самостоятельного запуска, так как вектор силы отталкивания проходит строго через ось вращения. Для начала работы двигателю необходим или стартовый толчок, или включение отдельной пусковой обмотки, создающей дополнительный момент силы, смещающий их суммарный вектор относительно оси якоря.

Двухфазный электродвигатель имеет две обмотки, в которых фазы смещены на угол, соответствующий геометрическому углу между обмотками. В этом случае в электродвигателе создается так называемое вращающееся магнитное поле (спад напряженности поля в полюсах одной обмотки происходит синхронно с нарастанием его в другой).

Такой двигатель становится способным к самостоятельному запуску, однако имеет трудности с реверсом. Поскольку в современном электроснабжении не используются двухфазные сети, фактически электродвигатели этого рода применяются в однофазных сетях с включением второй фазы через фазовращающий элемент (обычно – конденсатор).

Трехфазный асинхронный электродвигатель – наиболее совершенный тип асинхронного мотора, так как в нем появляется возможность легкого реверса – изменение порядка включения фазных обмоток изменяет направление вращения магнитного поля, а соответственно и ротора.

Коллекторные двигатели переменного тока используются в тех случаях, когда требуется получение высоких частот вращения (асинхронные электродвигатели не могут превышать скорость вращения магнитного потока в статоре – для промышленной сети 50 Гц это 3000 об/мин). Кроме того, они выигрывают в пусковом крутящем моменте (здесь он пропорционален току, а не оборотам) и имеют меньший пусковой ток, меньше перегружая электросеть при запуске. Также они позволяют легко управлять своими оборотами.

Обратной стороной этих достоинств становится дороговизна (требуется изготовление ротора с наборным сердечником, несколькими обмотками и коллектором, который к тому же сложнее балансировать) и меньший ресурс. Помимо необходимости в регулярной замене стирающихся щеток, со временем изнашивается и сам коллектор.

Синхронный электродвигатель имеет ту особенность, что магнитное поле ротора индуцируется не магнитным полем статора, а собственной намоткой, подключенной к отдельному источнику постоянного тока. Благодаря этому частота его вращения равна частоте вращения магнитного поля статора, откуда и происходит сам термин «синхронный».

Как и двигатель постоянного тока, синхронный двигатель переменного тока является обратимым: при подаче напряжения на статор он работает как электродвигатель, при вращении от внешнего источника он сам начинает возбуждать в фазных обмотках переменный ток. Основная область использования синхронных электродвигателей – высокомощные приводы. Здесь увеличение КПД относительно асинхронных электромоторов означает значительное снижение потерь электроэнергии.

Также синхронные двигатели используются в электротранспорте. Однако, для управления скоростью в этом случае требуются мощные частотные преобразователи, зато при торможении возможен возврат энергии в сеть.

В начало

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Так как постоянный ток не способен создать изменяющееся магнитное поле, обеспечение непрерывного вращения ротора требует принудительной перекоммутации обмоток, или дискретного изменения направления магнитного поля.

Старейший из известных способов – это использование электромеханического коллектора. В этом случае якорь электродвигателя имеет несколько разнонаправленных обмоток, соединенных с находящимися в соответствующем положении относительно щеток ламелями коллектора. В момент включения питания возникает импульс в обмотке, соединенной со щетками, после чего ротор проворачивается, и в том же месте относительно полюсов статора включается новая обмотка.

Так как намагниченность статора во время работы коллекторного электродвигателя постоянного тока не изменяется, вместо сердечника с обмотками могут использоваться мощные постоянные магниты, что сделает мотор компактнее и легче.

Коллекторный двигатель не лишен ряда недостатков. Это:

  • высокий уровень помех, как передаваемых в питающую сеть при переключении обмоток якоря, так и возбуждаемых искрением щеток;
  • неизбежный износ коллектора и щеток;
  • повышенная шумность при работе.

Современная силовая электроника позволила избавиться от этих недостатков, применяя так называемый шаговый двигатель – в нем ротор имеет постоянную намагниченность, а внешнее устройство последовательно меняет направление тока в нескольких обмотках статора. Фактически за единичный импульс тока ротор проворачивается на фиксированный угол (шаг), откуда и пошло название электромоторов такого типа.

Шаговые электродвигатели бесшумны, а также позволяют в широчайших пределах регулировать как крутящий момент (амплитудой импульсов), так и обороты (частотой), а также легко реверсируются изменением порядка следования сигналов. По этой причине они широко используются в сервоприводах и автоматике, однако их максимальная мощность определяется возможностями силовой управляющей схемы, без которой шаговые двигатели неработоспособны.

В начало

© 2012-2018 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

eltechbook.ru

Электродвигатели переменного тока | Принцип работы, отличия, схемы, характеристики, предназначение – на промышленном портале Myfta.Ru

Электродвигатели переменного токаДля того чтобы понять принцип работы электродвигателя переменного тока, поместим изогнутый проводник в равномерном магнитном поле, создаваемом полюсами магнита.

Разница между генераторами переменного и постоянного тока заключается в отсутствии коллектора.

Асинхронные трехфазные электродвигатели являются прямыми энергетическими потребителями трехфазного тока. Такие модели применяются во многих отраслях производства.

На рисунке 2 изображена схема электродвигателя переменного тока. Синхронный генератор имеет такой же статор рис. 1. Питание обмотки статора переменным током происходит от трехфазной сети.

Изменение тока в фазах будет происходить также в фазах генератора. На рис. 2 ротор представлен как цилиндр с пазами, который установлен на медные либо алюминиевые стержни, связанные между собой кольцами на поверхностях ротора с торца.

Ток проходит в замкнутых проводниках. Вращение ротора асинхронного устройства различно от частоты магнитного поля.

 

 

Принцип работы генератора переменного тока

Принцип работы генератора переменного тока

При одинаковом вращении проводники роторной обмотки перестают пересекать магнитное поле, и тогда исчезает вращающий момент. Потому электродвигатель переменного тока и получил название асинхронного (т.е. несинхронного). Круговое вращающее магнитное поле условно представляют полем полюсов постоянных магнитов, которые вращаются с частотой . Помещая в поле статора асинхронного трехфазного прибора ротор, у которого короткозамкнута обмотка (рис. 3), вращающееся поле статора проходит через проводники обмотки ротора и направляет них э.д.с . Направление э.д.с обусловливаться правилом правой руки. Когда обмотка ротора замкнута, то в ее проводниках появляются токи . Ток любого проводника ротора, взаимодействуя с полем статора, формирует электромагнитную силу , течение которой обусловливается правилом левой руки.

Группа электромагнитных сил формирует электромагнитный момент , который приводит ротор в обращение с частотой  в направлении поля вращения. Электрическая энергия, которая поступает в обмотку статора из сети, реорганизуется в механическую энергию верчения ротора.

 

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель

 

Схема однофазного электродвигателя

Схема однофазного электродвигателя

Частота верчения электродвигателя переменного тока  всегда меньше частоты верчения поля статора , от чего и его название — асинхронный. Когда ротор АД вращается с частотой , тогда проводники обмотки ротора не пересекают поле статора. Следовательно, в них не наводятся э.д.с, не возникают токи, не создается вращающий момент.

Отличие между частотами вращения ротора и поля статора имеет название частота скольжения . На практике чаще используется понятие скольжения — отношение частоты вращения поля статора к частоте скольжения:

Между частотой вращения ротора и скольжением также имеется связь:

Когда работает АД, частота вращения ротора изменяется от при пуске двигателя до  на идеальном холостом ходу. Следовательно, двигательному режиму работы асинхронной машины отвечает широта изменений скольжения от 1 до 0. Частота верчения ротора, а следовательно и скольжение находятся в зависимости от нагрузки на валу (внешнего момента сопротивления ). При увеличении нагрузки уменьшается частота вращения ротора, а скольжение возрастает. В асинхронных приборах общего применения начальное скольжение составляет , т.е. при начальной нагрузке ротор АД крутится с частотой, которая близка к частоте вращения поля. Частота э.д.с и токов, наводимых в проводах ротора, определяется частотой скольжения. Учитывая, что определим .

Постоянное переключение батареи равносильно питанию оборудования переменным током. Разница лишь в том, что у такого переменного тока низкая частота, так как за секунду можно 3-5 раз перевернуть батарейку, а у переменного тока направление изменяется 100 раз в секунду.

Если от понижающего трансформатора присоединить два проводника к зажимам прибора с одинаковым с батареей напряжением, то устройство электродвигателя переменного тока будет работать. Однако якорь его будет крутиться несколько медленнее, чем, если бы было питание постоянным током. При переменном токе появляется индуктивное сопротивление обмоток электродвигателя. Прикоснувшись рукой спустя 10-15 мин к его корпусу, можно заметить, что он нагрелся.

А при работе от батареи этого не происходит. При питании переменным током в стенках корпуса и в полюсах появляются потери от перемагничивания переменным потоком и вихревых токов. Для снижения этих потерь, корпус и полюсы однофазной коллекторной модели переменного тока собираются из штампованных листов электротехнической стали, которые изолированы пленкой лака один от другого и скреплены заклепками (рис. 4).

 

Статор коллекторного электродвигателя

Статор коллекторного электродвигателя

1 – Катушка; 2 – наконечник полюса; 3 – заклепка.

Коллекторные электродвигатели переменного тока работают только с последовательным возбуждением, и благодаря катушке параллельного возбуждения имели бы огромное индуктивное сопротивление при переменном токе.

Механические качества однофазного устройства подобны качествам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Вследствие этого они применяются тогда, когда от прибора требуется большая пусковая и высокая перегрузочная способность.

Применение коллекторных электродвигателей рассчитано на любую частоту вращения, тогда как у асинхронных, питающихся переменным током частотой 50 Гц, имеется максимальная синхронная частота вращения 3000 об/мин. Этот признак делает незаменимыми коллекторные модели для бытовых приборов, в частности для пылесосов. Коллекторные устройства легче асинхронных однофазовых в 2-3 раза.

Такие электродвигатели изготавливаются для низкого напряжения и питаются они от понижающего трансформатора и для напряжения сети 127 или 220 В. Для снижения опасности поражения электрическим током эти приборы используют в движущихся игрушках (электрические железные дороги, подъемные краны).

Электрические двигатели, питаемые от сети переменного тока, используются в пылесосах, швейных машинках, электробритвах и других электробытовых приборах.

myfta.ru

Какие бывают виды электродвигателей переменного тока

Как разработать двигательную установку? Для проектирования системы любого типа имеет значение кинематическая схема и эксплуатационные условия, указанные в задании. Записав требуемые технические данные, приступают к кинематическому расчету, который является исходным для силового и энергетического расчета, как отдельных механизмов, так и всей системы. Чтобы к установке правильно подобрать электрический двигатель надо понимать из чего можно выбрать. Поэтому ниже рассмотрим какими они бывают.

Выбор двигателя

Выбор электродвигателя того или иного типа осуществляется на основе технических расчетов, которые выполняются в установленной последовательности:

  • расчет мощности и ориентировочный выбор агрегата;
  • проверка мотора по пусковым параметрам, перегрузке и нагреву.

Требуемая мощность, скорость и другие параметры определяются на основании исходных данных – рабочих характеристик машины. Значения КПД отдельных узлов кинематической цепи должны соответствовать приведенным данным справочных таблиц.

В зависимости от принципа работы существуют следующие типы электродвигателей:

  1. асинхронники,
  2. синхронники.

Любой тип может быть одно-, двух- или трёхфазным. Трехфазные моторы составляют около 70% двигательной техники в промышленности. Однофазные также очень широко применяются в индустрии и составляют около 10-15% моторов.

Асинхронные двигатели

В асинхронных агрегатах весь процесс опирается на небольшую разницу в скорости между магнитными полями статора и ротора, вызывающую ток в обмотке ротора. Расчет мощности и предварительный выбор мотора производится по эквивалентному моменту сопротивления и частоте. Асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным ротором, как показано на структурной схеме.

1

Все основные параметры (обмотка, пазы статора) асинхронного мотора имеют соответствующие соотношения. Определиться с выбором техники помогают предварительный и проверочный расчёт основных параметров.

Однофазные асинхронные моторы бывают бытового назначения, потребляемая мощность их обычно невелика. К ним относятся:

  • вентиляторы,
  • кондиционеры,
  • стиральные машины,
  • компрессоры холодильников,
  • водяные насосы.

5

Трехфазные асинхронные двигатели используются там, где необходимо большое количество электроэнергии, например, в стартерах, гидравлических насосах. Приводы переменного тока становятся все популярнее с каждым годом.

Синхронные двигатели

Расчет начальных условий для синхронных двигателей здесь не особенно важен, потому что процесс эксплуатации не основан на скольжении и индукции. Синхронные двигатели бывают:

  • с электромагнитным возбуждением;
  • с постоянными магнитами;
  • реактивные, гистерезисные.

Однофазные синхронные электродвигатели являются распространенными источниками питания для работы электрических часов и другого мелкого высокоточного оборудования. Они требуют применения некоторого вспомогательного метода, чтобы довести их до синхронной скорости, то есть, чтобы запустить их. Обычно пусковая обмотка состоит из вспомогательной обмотки статора.

Работа трехфазных синхронных электродвигателей при постоянной синхронной скорости чаще используется для работы в системах синхронизатора.

Электродвигатели переменного тока различаются в зависимости:

  • от скорости работы – постоянной, переменной и регулируемой;
  • от конструктивных особенностей, то есть могут быть открытыми, полузакрытыми, вентилируемыми и т.д.

Если говорить про другие виды электродвигателей переменного тока, выпускаемые современной промышленностью, то, несмотря на широкое разнообразие, все они относятся к механически коммутируемым машинам, в которых скорость зависит от напряжения и соединения обмоток.

Заключение

Электродвигатели и приводы широко применяются в различных сферах. Электромоторы переменного тока являются надёжными, недорогими, обладают хорошими эксплуатационными качествами. Низковольтные приводы переменного тока имеют прекрасную репутацию, а количество установленных и эксплуатируемых приводов исчисляется уже на сотни. Способ управления машинами с помощью привода обладает достоинствами с точки зрения экономии энергии и совершенствования технологических процессов.

 

electricdoma.ru

Электродвигатели переменного и постоянного тока

Электродвигатели предназначены для того, чтобы привести в движение некоторый механизм: насос, вентилятор, мельницу, конвейер, лифт и т. д. Полезную механическую работу электродвигатель совершает за счёт потребляемой из сети электроэнергии.

Принцип действия любого электродвигателя основан на законе, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. В зависимости от способа создания магнитного поля и рода тока электродвигатели можно разделить на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока, которые в свою очередь делятся на синхронные и асинхронные.

Двигатели постоянного тока работают следующим образом. Электроэнергия подаётся в обмотку ротора от неподвижного источника постоянного тока через коллекторно-щёточные контакты. В обмотку статора также подаётся постоянный ток для создания магнитного поля. На обмотку ротора, помещенную в магнитное поле, действует сила Ампера. Ротор вращается. Как уже было сказано, двигатели постоянного тока на электростанциях имеют ограниченное применение.

Принцип действия синхронного электродвигателя переменного тока следующий. В обмотку статора подаётся трёхфазный переменный ток, за счёт которого внутри двигателя создаётся вращающееся магнитное поле. В обмотку ротора подаётся постоянный ток от возбудителя. Возникшая сила Ампера действует на обмотку и вращает ротор с той же частотой, с какой вращается магнитное поле статора. Синхронные электродвигатели переменного тока также не получили значительного распространения на электростанциях. В виде исключения они используются для привода мельниц, где не требуется особой надежности электроснабжения и допускаются большие перерывы питания. Синхронные электродвигатели имеют следующие недостатки:

сложная конструкция, необходим возбудитель;

сложные условия эксплуатации;

сложные условия пуска и самозапуска;

трудности регулирования частоты вращения;

дороговизна.

Асинхронные электродвигатели получили настолько большое распространения в схемах собственных нужд электростанций, что на них следует остановиться особо.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором

Рассмотрим принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Как и в случае синхронного двигателя, в обмотку статора асинхронного двигателя подаётся трёхфазный переменный ток, за счёт которого внутри двигателя создаётся вращающееся магнитное поле. Но в отличие от синхронного, в данном типе двигателя в обмотку ротора не подаётся постоянный ток. Обмотка ротора замкнута накоротко и представляет собой так называемую «беличью клетку». В этой обмотке за счёт вращающегося поля статора по закону Фарадея индуцируются переменные токи. Механизм возникновения этих токов – такой же, как и во вторичной обмотке трансформатора с той лишь разницей, что здесь вторичная обмотка вращается.

Вращающееся магнитное поле статора и переменные токи в роторе обусловливают возникновение силы Ампера. Обмотка ротора и сам рот приходят во вращение. При этом ротор несколько запаздывает относительно скорости вращения поля статора. По этой причине двигатель назван асинхронным. Степень этого запаздывания называется скольжением и рассчитывается по формуле:

s = (nсх – n)/nсх,

где nсх – синхронная частота вращения магнитного поля статора;

n – частота вращения ротора.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора в свою очередь определяется по той же формуле, что и для синхронного генератора:

nсх = 60f/p,

где р – число пар полюсов ротора.

Причина запаздывания ротора относительно поля статора объясняется законом электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому индукционный ток возникнет только в том случае, если будет изменяться магнитный поток. Если же, чисто гипотетически, ротор догонит поле статора и их скорости сравняются, то обмотка ротора относительно вектора магнитной индукции статора окажется неподвижной, а значит и магнитный поток перестанет изменяться во времени. При этом ток в обмотке ротора исчезнет, следовательно, станет равной нулю сила Ампера и ротор замедлит своё вращение. И наоборот – небольшое проскальзывание ротора относительно поля статора – важнейшее условие для существования вращающей силы.

Основные преимущества использования асинхронных электродвигателей (АЭД) с короткозамкнутым ротором заключаются в следующем.

1. АЭД допускают прямой пуск от полного напряжения питающей сети безо всякой пускорегулирующей аппаратуры, которую приходится применять в случае синхронных двигателей.

2. Группа АЭД одной или нескольких секций успешно самозапускаются после кратковременного обесточивания и последующего восстановления питания в результате действия станционной автоматики.

3. Для АЭД не требуется возбудителя. Поэтому они дешевле и относительно просты в эксплуатации.

4. Регулировать скорость вращения АЭД можно не только со стороны статора, но и со стороны ротора. Для сравнения, в отличие от АЭД, скорость вращения синхронных двигателей жёстко связана с электрической частотой сети.

При этом АЭД имеют недостатки, перечисленные ниже.

1. Вследствие больших пусковых токов в элементах системы электроснабжения возникают значительные падения напряжения, и групповой пуск и самозапуск происходит при пониженных напряжениях на секциях.

2. Синхронная частота вращения АЭД не может превышать 3000 об/мин. Для получения более высоких скоростей необходимо использовать повышающий редуктор или турбопривод.

3. Максимальная номинальная мощность асинхронных электродвигателей составляет 8 МВт. При необходимости создания более мощного привода приходится использовать синхронный двигатель или турбопривод.

4. Регулирование скорости вращения АЭД имеет дорогостоящую и сложную реализацию по сравнению с регулированием с помощью двигателя постоянного тока или турбопривода.

5. При возникновении короткого замыкания вблизи шин с работающими двигателями, появляется значительная подпитка тока от АЭД.

6. АЭД чувствительны к провалам напряжения из-за того, что их электромагнитный момент обладает квадратичной зависимостью от напряжения Ме ~ U2 . Для синхронного двигателя эта зависимость линейна: Ме ~ U.

7. Изменение электромагнитных моментов асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором происходит при изменении не только напряжения, но и частоты.

С точки зрения использования электропривода механизмов собственных нужд электростанций основные недостатки АЭД проявляются в наибольшей степени для питательных и бустерных насосов. Поэтому на мощных блоках для этой цели применяют турбопривод.

Похожие статьи:

poznayka.org