Асинхронный двигатель

Ротор такого двигателя может быть короткозамкнутым или фазным.

Вне зависимости от типа ротора в этих двигателях частота вращения ротора всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Эта разница обусловлена законами физики:

• силовые линии магнитного поля статора, пересекая замкнутый контур ротора, индуцируют в нем электродвижущую силу, а значит и собственное магнитное поле;
• в результате взаимодействия этих полей, имеющих одинаковую полярность, возникает крутящий момент, вызывающий вращение ротора;
• в тот момент, когда скорости вращения магнитных полей становятся одинаковыми, возникновение ЭДС в роторе прекращается, в результате чего крутящий момент стремится к нулю;
• как только частота вращения ротора начинает отставать от скорости вращения поля статора, возникновение ЭДС возобновляется.

Основные виды асинхронных электрических двигателей

В различных производственных сферах чаще всего используются одно- и трёхфазные асинхронные электрические агрегаты.

Однофазные двигатели

Однофазные двигатели оснащены единственной рабочей обмоткой, на которую поступает электрический ток переменной величины. Для запуска устройства предусмотрена дополнительная обмотка, которая создаёт начальный сдвиг фаз. Вспомогательные витки провода подключаются к источнику электропитания посредством индуктивности или с помощью конденсатора.

Сердечник однофазного электродвигателя выполнен из круглых стальных листов. Для обмотки предусмотрены специальные пазы с лопастями для вентиляции. Конструкция ротора в упрощённом виде – это колесо с закреплённой осью движения. Однофазные машины нашли применение в бытовых приборах, обладающих малой мощностью.

Трёхфазные двигатели с короткозамкнутым контуром

На статоре имеются три рабочие обмотки. Расположение витков фазы под углом 120 градусов вызывает аналогичное смещение магнитных полей. При подключении электродвигателя к источнику питания создаются вращающиеся по кругу магнитные потоки. В результате ротор приходит в движение.

Соединение обмоточных проводов статора выполняется по типу «треугольник» или «звезда». Для первой схемы требуется меньшее напряжение.

Трёхфазные машины с короткозамкнутым контуром служат для приведения в действия подъёмных кранов, производственных станков, циркулярных пил, лебёдок.

Трёхфазные устройства с фазным ротором

По конструкции статора двигатели похожи на вышеупомянутые модели. Пластинчатый магнитопровод собран из стальных пластин Ш-образной формы. Пазы заполняются обмотками. Жилы собраны по типу «звезда». На валу ротора предусмотрены три контактных кольца, куда выводятся концы проводников. Кольца и вал не контактируют, отделены друг от друга электрической изоляцией.

Устройство приводится в действие через реостаты или напрямую. Электродвигатели с фазным ротором дорогие, но отличаются высокой мощностью и большим пусковым моментом. Такое оборудование устанавливаются на пищевых производствах, текстильных фабриках, в металлургии, полиграфии.

Принцип действия

В асинхронном двигателе магнитное поле создается, благодаря току в статорной обмотке, находящейся на специальных пазах. На роторе, как отмечалось выше, обмоток нет, а вместо них накоротко объединенные стержни. Такая особенность характерна для короткозамкнутого роторного механизма.

Во втором типе ротора (фазном) на роторе предусмотрены обмотки, ток и сопротивление которых могут регулироваться реостатным узлом.

Простыми словами, принцип действия можно разложить на несколько составляющих:

1. При подаче напряжения в статоре создается магнитное поле.
2. В роторе появляется ток, взаимодействующий с ЭДС статора.
3. Роторный механизм вращается в том же направлении, но с отставанием (скольжением) размером от 1 до 8 процентов.

Конструктивные особенности

Конструктивно асинхронные механизмы трудно отличить от синхронных. Они также состоят из двух основных узлов: статора и ротора. При этом роторный узел может быть фазным или короткозамкнутым. Но небольшие конструктивные отличия все-таки имеются.

Рассмотрим, из чего состоит асинхронный двигатель:

• сердечник;
• вентилятор с корпусом;
• подшипник;
• коробка с клеммами;
• тройная обмотка;
• контактные кольца.

С учетом сказанного одним из главных отличий является отсутствие обмоток на якоре (исключением являются фазные АД). Вместо обмотки в роторе находятся стержни, закороченные между собой.

Способы пуска и возбуждения синхронных двигателей

Синхронные электродвигатели требуют источник постоянного тока для питания обмотки ротора. Наибольшее распространение получили статические системы возбуждения на базе тиристорных преобразователей. Системы с генератором постоянного тока на валу электродвигателя уже практически не применяют.

Электропитание тиристорных возбудителей осуществляется от трансформатора, включенного в одну сеть с двигателем. Системы позволяют регулировать напряжение, коэффициент мощности, величину реактивной составляющей обмоток статора.

Синхронные электрические машины не могут запускаться прямым включением в сеть, так как смена полюсов вращающегося магнитного поля происходит слишком быстро, из-за инерции разгон ротора до синхронной скорости невозможен.

Существует несколько схем пуска электродвигателей синхронного типа.

Двигательный. Запуск синхронного двигателя осуществляется за счет разгона ротора до синхронной частоты при помощи вспомогательной электрической машины. При этом электродвигатель включается в сеть после достижения синхронной частоты, после чего вспомогательный двигатель останавливают. Двигательные схемы считаются морально устаревшими, из-за высокой стоимости и значительных габаритов и массы их уже практически не применяют.

Асинхронный. Синхронные двигатели с асинхронным стартом имеют дополнительную обмотку типа «беличья клетка» на полюсных наконечниках ротора. Пуск электродвигателя осуществляется при отсутствии постоянного тока в обмотке возбуждения, как у асинхронных электрических машин. После разгона до скорости, близкой к синхронной, на роторную катушку подают постоянный ток, двигатель начинает работать в синхронном режиме. Во время старта, до входа в синхронизм, роторную обмотку замыкают на сопротивление, это необходимо для ограничения тока, наводимого полем статора при пуске и разгоне. Такой метод позволяет осуществлять запуск синхронной машины напрямую от сети. К недостаткам относят значительный пусковой ток, затруднение старта под нагрузкой.

При этом электродвигатель подключают к частотному преобразователю. Пуск электрической машины осуществляется путем подачи напряжения низкой частоты и плавного ее увеличения до номинального значения, двигатель все время работает в режиме синхронизма. Такой способ позволяет уменьшить время переходных процессов и пусковые токи, снизить тепловые нагрузки, осуществлять пуск синхронных электрических машин под нагрузкой. Недостатком способа является относительно высокая цена специализированного преобразователя частоты. Частотный пуск – наиболее перспективный, он позволяет устранить многие недоставки синхронных электрических машин.

Монтажное исполнение

Способ крепления электропривода к оборудованию: он указывает на детали, которые следует зафиксировать.

Сфера применения

Асинхронные электромоторы пользуются большим спросом в быту, благодаря простоте конструкции и надежности в эксплуатации.

Они часто применяются в бытовой аппаратуре:

• стиральных машинках;
• вентиляторе;
• вытяжке;
• бетономешалках;
• газонокосилках и т. д.

Также применяются они и в производстве, где подключаются к 3-фазной сети.

К этой категории относятся следующие механизмы:

• компрессоры;
• вентиляция;
• насосы;
• задвижки автоматического типа;
• краны и лебедки;
• станки для обработки дерева и т. д.

Асинхронные машины применяются в электрическом транспорте и других сферах. Они нашли применение в башенных кранах, лифтах и т. д.

Подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети

Остановимся более подробно на подключении двигателя. Завод-производитель, как правило, маркирует не только клеммы в клеммной коробке, но и концы проводов. В реальности это либо алюминиевые скобки, либо пластиковые или картонные бирки с номером провода. Обмотки в современных двигателях указывается, как U, V, W. Начало обмоток цифрой «1», а конец — цифрой «2». Как вы уже знаете, асинхронный двигатель может быть включен по схеме «звезда», а также по схеме «треугольник». В 90% случаев используется именно подключение «звезда».

Итак, у нас обмотки двигателя соединены по схеме «звезда». Куда же нам подать напряжение, чтобы двигатель начал свое вращение?

Оказывается, все просто. Так как в трехфазной сети у нас в основном 4 провода ( Фаза A, Фаза B, Фаза C, Земля), то соответственно, мы должны задействовать все 4 провода.

Есть также небольшой нюанс при подключении асинхронного двигателя к трехфазной сети. Допустим, если мы подключили двигатель по схеме, то у нас вал будет вращаться в одну сторону, допустим, по часовой стрелке.

Но если мы поменяем две любые фазы местами, то двигатель начнется вращаться в противоположном направлении. Такой эффект называется реверсивным включением асинхронного двигателя.

Все то же самое касается и при подключении асинхронного двигателя по схеме «треугольник». Имейте ввиду, что при включении двигателя в этом режим, мы на шильдике должны посмотреть допустимое напряжение, на которое рассчитан этот двигатель по схеме соединения «треугольник». Если по схеме «звезда» мы можем подать на такой двигатель питание 380 Вольт, то по схеме «треугольник» только 220 Вольт.

Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети

Обратимся к конструкции трехфазного асинхронного двигателя. Как мы знаем, рабочих фаз двигателя – 3, и клемм для их подключения тоже 3. А в однофазной бытовой сети 220 Вольт проводов всего два – фаза и ноль. Что подключить на третью клемму двигателя? Если на нее подключить ответвление от любого из этих двух проводов, то мы получим просто короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями.

Выходом является подключение такого ответвления через конденсатор. Слово «конденсатор» переводится на русский язык как «накопитель». Как известно, работает он по принципу «заряд-разряд». То есть, включенный в сеть конденсатор, какое-то время накапливает заряд, а потом, разряжаясь, отдает его обратно в сеть. Времени, в течение которого конденсатор накапливает заряд, вполне достаточно для того, чтобы фаза, от которой он питается, «ушла» вперед, сдвинулась по времени. Сдвинувшись, фаза как бы «освобождает место» для того разряда, который выдаст конденсатор, и исключает возможность «короткого» замыкания. Из-за того, что своей работой конденсатор «сдвигает» фазы, он называется фазосдвигающим. Таким образом, создается третий провод необходимый для подключения двигателя.

Схемы подключения к однофазной сети

Здесь все достаточно просто. Мы должны соединить конденсатор между двумя фазами. 

Для того, чтобы поменять вращение двигателя, нам надо просто поменять местами фазу (L) и ноль (N) местами.

А Ну и все то же самое касается и со схемой подключения «треугольник».

Как выбрать конденсатор

При подборе конденсатора нужно помнить, что у него есть две характеристики: напряжение, на которое он рассчитан, и его электрическая емкость. Правило подбора напряжения можно выразить простыми словами: рабочее напряжение конденсатора, указанное на его корпусе должно быть больше рабочего напряжения сети, в которую включается двигатель. 

Вполне может быть так, что полученное значение окажется промежуточным. То есть таким, на которое конденсаторы не выпускаются. Например, для сети 220 В, по формуле получится 311,13 В. На такое напряжение конденсаторы не выпускались. Тогда конденсатор подбирается на ближайшее значение в большую сторону. В нашем случае можно взять конденсатор на 380 Вольт и больше.

Расчет емкости конденсатора

Расчет емкости конденсатора производится по формуле, в которой учитывается схема соединения обмоток двигателя. Дело в том, что при расчете емкости учитывается не только рабочее напряжение сети, но и ток, протекающий по обмоткам двигателя. Большую роль играет и тот факт, что во время запуска двигателя, в обмотках возникает так называемый пусковой ток, который намного больше рабочего тока двигателя. А так как рабочий ток двигателя зависит от схемы включения обмоток, то естественно, и пусковой ток будет тоже зависеть от этой схемы.

Выбор типа конденсатора

Конденсатор, емкость и рабочее напряжение, которого мы определили, должен быть подходящего типа. Как известно, конденсаторы разделяются на два типа: полярные и неполярные. Полярные имеют обозначение «+» и «-» на выводах и применяются в цепях постоянного тока. Неполярные обозначений на выводах не имеют и работают в любых цепях. Кроме того, по способу изготовления они разделяются на электролитические и не электролитические. Электролитические конденсаторы применяются в основном, в радиотехнике и электронике, и чаще всего, бывают полярными. Они в качестве фазосдвигающих не годятся, даже если подходят по емкости и напряжению. Лучшие конденсаторы для работы с двигателями – металлобумажные. Это один из видов неполярных конденсаторов. Пригодные марки – МБГЧ, МБН, К42-19.

Итак, конденсатор подобран и подключен, обмотки собраны правильно, провода присоединены к клеммам – включаем двигатель в сеть и понимаем, что он не развивает ту мощность, которая указана на шильдике. Это – нормально. Таковы законы индуктивности и электродинамики – об этом нужно помнить. Трехфазный двигатель, подключенный к однофазной сети через конденсатор, развивает не более 60-65% от номинальной мощности.

Теория и подключение пускового конденсатора

Выше по тексту, уже было сказано, что во время запуска двигателя возникает пусковой ток, намного превышающий рабочий ток двигателя. Поэтому, если мы оставим только рассчитанный нами конденсатор, мы не учтем наличие пускового тока. Двигатель будет трогаться очень медленно, наращивая обороты понемногу.

Для устранения этого эффекта, параллельно рабочему конденсатору подключают пусковой конденсатор. Все его характеристики должны были быть такими же, как у рабочего конденсатора, кроме емкости. Его емкость равна емкости рабочего конденсатора,умноженной на 2,5.

Подключается пусковой конденсатор параллельно рабочему. Время его включения – краткосрочное, только до того момента, когда двигатель наберет стабильные обороты. Как правило, подключают пусковой конденсатор через кнопку без фиксации. То есть, пока кнопку удерживают в нажатом состоянии, пусковой конденсатор подключен к клеммам двигателя.

Преимущества и недостатки

Электродвигатель асинхронного типа имеет слабые и сильные места, о которых необходимо помнить.

Преимущества:

1. Простая конструкция, которая обусловлена трехфазной схемой подключения и простым принципом действия.
2. Более низкая стоимость, по сравнению с синхронным аналогом.

3. Возможность прямого пуска.
4. Низкое потребление энергии, что делает двигатель более экономичным.
5. Высокая степень надежности, благодаря упрощенной конструкции.
6. Универсальность и возможность применения в сферах, где нет необходимости в поддержке частоты вращения, или имеет место схема управления с обратной связью.
7. Возможность применения при подключении к одной фазе.
8. Успешный самозапуск группы АД в случае потери и последующей подачи на них напряжения.
9. Минимальные расходы на эксплуатацию. Все, что требуется — периодически чистить механизма от пыли и протягивать контактные соединения. При соблюдении требований производителей менять подшипники можно с периодичностью раз в 15-20 лет.

Недостатки:

1. Наличие эффекта скольжения, обеспечивающего отставание вращения ротора от частоты вращения поля внутри механизма.
2. Потери на тепло. Асинхронные моторы имеют свойство перегреваться, особенно при большой нагрузке. По этой причине корпус изделия делают ребристым для увеличения площади охлаждения (у СД такое применяется не на всех моделях). Дополнительно может устанавливаться вентилятор для обдува поверхности.
3. Напряжение только на 220 В и выше. Из-за конструктивных особенностей такие электродвигатели не производятся для рабочего напряжения меньше 220 В. В качестве замены часто применяются гидро- или пневмоприводы.
4. Небольшой КПД в момент пуска и высокая реактивность. По этой причине мотор может перегреваться уже при пуске. Это ограничивает количество пусков в определенный временной промежуток.
5. Синхронная частота вращения не может быть больше 3000 об/мин, ведь в ином случае требуется использование турбированного привода или повышающего редуктора.
6. Трудности регулирования устройств, которые приводятся в движение «синхронниками».
7. Повышенный пусковой ток — одна из главных проблем асинхронных моторов, имеющих мощность свыше 10 кВт. В момент пуска токовая нагрузка может превышать номинальную в шесть-восемь раз и длиться до 5-10 секунд. По этой причине для «асинхронников» не рекомендуется прямое подключение.
8. При появлении КЗ возле шин с работающим двигателем появляется подпитка тока.
9. Чувствительность к изменениям напряжения. При отклонении этого параметра более, чем на 5% показатели электродвигателя отклоняются от номинальных. В случае снижения напряжения уменьшается момент АД.