0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В чем заключается принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя

Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком

М. О. Доливо-Добровольским.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина переменного тока, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статором называется неподвижная часть машины, ротором — ее вращающаяся часть.

Асинхронная машина обладает свойством обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Из-за ряда существенных недостатков асинхронные генераторы практически почти не применяются, тогда как асинхронные двигатели получили очень широкое распространение.

Многофазная обмотка переменного тока создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого в минуту n1 = 60f1/p.

Если ротор вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля

(n2 = n1), то такая частота называется синхронной.

Если, ротор вращается с частотой, не равной частоте вращения магнитного поля

(n2 n1), то такая частота называется асинхронной.

В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной частоте, т. е. при частоте вращения не равной частоте вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора может очень мало отличаться от частоты вращения поля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n2

. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение.

На основании закона Ленца направление всякого индуктированного тока таково, что он противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи в теле диска стремятся задержать вращение магнита, но, не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение так, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше, чем частота вращения магнита.

Если бы эти частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, т. е. не было бы силы, под действием которой диск вращается.

В асинхронных двигателях постоянный магнит замен вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой статора при включении её в сеть переменного тока.

Вращающееся магнитное поле статора пересекает обмотки ротора и индуктирует в них эдс. Если обмотка ротора замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко, то по ней под действием индуктируемой эдс проходит ток.

В результате взаимодействия тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем обмотки статора создастся вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля.

Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет.

В этом случае вращающий момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока не возникнет вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в машине.

Для изменения направления вращения ротора, т. е. для реверсирования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это достигается изменением чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами по отношению к зажимам сети любые два из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

Реверсивные двигатели снабжаются переключателями, при помощи которых можно изменять чередование фаз обмоток статора, а следовательно, и направление вращения ротора.

Вне зависимости от направления вращения ротора его частота n2, как уже указывалось, всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Принцип действия асинхронного двигателя

Простейшим по своему устройству и самым распространенным является изобретенный М.О. Доливо-Добровольским асинхронный двигатель. Работа двигателя основана на принципе воздействия вращающегося магнитного поля на приспособленную для вращения короткозамкнутую обмотку.

Принципиально асинхронный двигатель состоит из неподвижной части — статора и вращающей части-ротора с соответствующей обмоткой. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра. В пазах с внутренней стороны этого сердечника уложены три обмотки (фазы), сдвинутые одна относительно другой на 120°.

Фазы обмотки статора А-х, В-у, С-z размещены равномерно по окружности статора, они соединяются в «звезду» или «треугольник» и подключаются к сети переменного трехфазного тока и возникающие в ней токи возбуждают вращающееся магнитное поле машины.

У подвижной части — ротора сердечник имеет форму цилиндра и закреплен на валу. В пазах на поверхности сердечника размещается обмотка ротора-короткозамкнутая. Обмотка ротора имеет вид цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, замкнутых на торцах двумя кольцами из того же материала. Такую обмотку называют «беличьим колесом». Стержни обмотки вставляются в пазы ротора без изоляции. Часто короткозамкнутая обмотка ротора изготавливается путем заливки расплавленным алюминием пазов сердечника с одновременным отливанием и замыкающих колец.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуктирует в них ЭДС. Под действием индуктированных ЭДС по проводникам ротора будет проходить электрический ток. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает электромагнитные силы, действующие на обмотку ротора. Суммарные действия этих сил создает вращающий момент, который приводит ротор во вращение в направление магнитного поля.

Читать еще:  Вибрирует двигатель на холостом ходу форд фокус 2

Величина ЭДС индуктированной в проводниках обмотки ротора, зависит от частот их пересечения вращающимся магнитным полем, т.е от разности частот вращения магнитного поля n1 и ротора n2. Чем больше разность (n1-n2), тем больше величина ЭДС.

Частота вращения ротора n2 будет всегда меньше синхронной частоты n1, т.е ротор всегда отстает от поля статора. Разность между частотами поля статора n1 и поля ротора n2 называется частотой скольжения ∆n.

Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающегося момента является неравенство частот вращения n1 и n2. Только при этом условии в обмотке ротора индуктируется ЭДС и возникает ток ротора. По этой причине машина называется асинхронной (Ротор ее вращается несинхронно с полем).

Чтобы охарактеризовать отставание частоты вращения ротора двигателя от частоты вращения магнитного поля, введено понятие скольжение. Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением. Скольжение S выражают в процентах от частоты вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора, выраженная через скольжение, определяется формулой;

Направление вращения ротора асинхронного двигателя определяется направлением вращения его магнитного поля, а направление вращения магнитного поля обуславливается последовательностью фаз (А, В, С) трехфазной сети. Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается изменением порядка поступления импульсов тока в отдельные обмотки. Например: если импульсы тока будут поступать в обмотки статора в следующем порядке: фаза А, фаза В, фаза С, то ротор двигателя будет вращаться по часовой стрелки. Если изменить порядок поступления импульсов тока и подавать их в последовательности: фаза В, фаза А. фаза С, то ротор двигателя начнет вращаться против часовой стрелки.

При пуске двигателя в Ход вращающееся магнитное поле пересекает обмотку ротора с большой скоростью и индуктирует в ней значительную ЭДС (Е2), которая создает в коротко замкнутом роторе большой пусковой ток. Соответственно и в обмотке статора также возникает значительный пусковой ток.

По мере того, как скорость ротора возрастает, уменьшается Е2, индуктируемая в нем ЭДС, а вместе с ней уменьшаются токи ротора и статора. В конце пуска ненагруженного двигателя сила тока ротора должна быть такой, чтобы вращающий момент, развиваемый двигателем покрывал все его механические потери от трения в подшипниках.

Если нагрузить уже вращающийся асинхронный двигатель, то механический тормозящий момент на валу двигателя сначала окажется больше вращающего момента и ротор уменьшит скорость вращения n2. Соответственно возрастает разность скоростей (n1-n2), т.е увеличится скольжение.

Вращающиеся поле будет пересекать ротор с относительно большой скоростью и индуктировать в роторе большую ЭДС (Е2). Возрастание ЭДС (Е2) вызовет увеличение тока в роторе. Пропорционально силе тока в роторе возрастет вращающий момент и уравновесит тормозящий момент нагрузки на валу двигателя. Одновременно увеличение силы тока ротора вызовет соответствующее повышение силы тока статора, в результате возрастет и потребление мощности двигателя из сети. Таким образом с увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает скольжение, сила тока статора и потребление мощности двигателя из сети.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется:

, об/мин.

При пуске асинхронной тяговой машины необходимо регулировать уровень и частоту трехфазного напряжения, питающего его обмотки, которое осуществляется трехфазным автономным инвертором напряжения.

На вагонах 81-740.1, 81-741.1 установлены тяговые двигатели типа ДАТЭ-170-4. Двигатель самовентилируемый, четырехполюсный, трехфазный асинхронный с короткозамкнутым ротором.

1. Номинальная мощность – 170 кВт;

2. Номинальная частота – 43 Гц;

3. Частота вращения (синхронная) – 1290 об/мин;

4. Максимальная частота вращения – 3600 об/мин;

5. Номинальное напряжение – 530 В;

6. Номинальное скольжение – 1,6 %;

7. Коэффициент мощности, cosφ – 0,85;

8. Масса двигателя – 805 кг.

Двигатель состоит из статора, ротора, вентилятора, подшипниковых щитов. Общий вид двигателя представлен на рис.18.


Рис.18

Статор (рис.19,а) двигателя состоит из литой станины зашихтованного листами из электротехнической стали, сердечника и обмотки. В пазы статора уложены двухслойная обмотка, выполненная жесткими секциями и закрепленная в пазах изоляционными клиньями.

Схема соединений обмотки статора выполнена со стороны, противоположной выступающему концу вала ротора. К боковой поверхности станины приварена коробка выводов для крепления трех выводных концов обмотки, соединенной в «звезду».

Ротор (рис.19,б) состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки ротора. Шихтованный сердечник из электротехнической стали насаживается на вал, в неизолированные пазы сердечника вставляются медные стержни. Концы медных стержней, выступающие из сердечника ротора, замкнуты на коротко приваренными к ним медными кольцами.

Щиты подшипниковые стальные, вставляются в расточку станины и крепятся к ней болтами. В щиты устанавливаются подшипники: роликовый со стороны приводного конца вала типа 32313 и шариковый с противоположной стороны типа 180313С17. С наружной стороны подшипники закрыты крышками.

Для охлаждения двигателя со стороны привода на вал насажен вентилятор. В корпусе статора предусмотрены два отверстия для слива конденсата образующегося при работе двигателя. Для прохождения охлаждающего воздуха через двигатель в станине со стороны привода и в подшипниковом щите со стороны противоположной приводу предусмотрены отверстия, которые закрыты крышками с металлическими сетками.

Читать еще:  Газ 3309 евро 4 неисправности двигателя егр

Двигатель поставляется с зубчатым колесом. Датчик частоты вращения должен устанавливаться в специально предусмотренном алюминиевом корпусе, прикрепленном к подшипниковому щиту.

Тяговые двигатели установлены на первой и третьей тележках по два на каждую.

Обмотки четырех тяговых двигателей соединены параллельно и питаются от одного автономного инвертора. Напряжение на инвертор подается от сети постоянного тока 750В через быстродействующий выключатель и входной LC- фильтр. Напряжение с выхода инвертора поступает непосредственно на трехфазную систему сборных шин, к которой подключены четыре тяговых двигателя.

На каждом двигателе установлено устройство (датчик частоты вращения) для измерения числа оборотов. Информация о числе оборотов вводится в схему управления автономным инвертором, которая обеспечивает регулирование напряжения и частоты тока обмоток асинхронных машин по определенному закону. Этот закон формируется при выборе машинистом рукояткой контроллера машиниста того или иного пускового положения. В начале пуска асинхронных машин транзисторные ключи переключаются с частотой 1-2 Гц. При этом к обмотке статора асинхронных машин подводится напряжение, составляющее 2-5 % напряжения контактной сети. Регулирование подводимого напряжения обеспечивается путем изменения ширины импульса при постоянном значении периода (широтноимпульсная модуляция ШИМ).

По мере разгона вагона, постепенно повышается напряжение на обмотках статора асинхронных машин и увеличивается частота тока в них (повышается частота работы транзисторных ключей, импульсы управления, на которые начинают поступать чаще).

Для подавления высших гармоник в кривых фазового тока, содержание которых зависит от частоты импульсной модуляции, разности между напряжением на нагрузки и напряжением контактной сети, режимы работы привода, на входе автономного инвертора установлен LC-фильтр. Поэтому из цепи источника питания потребляется почти постоянный ток.

Переход из режима тяги в режим торможения осуществляется путем отключения линейного контактора (ЛК) и изменения частоты работы инвертора в сторону уменьшения. При этом тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а импульсный инвертор выполняет функции управляемого выпрямителя. Для согласования мощности асинхронных машин в режиме торможения с установленной мощностью автономного инвертора в цепь обмоток асинхронных машин включен тормозной резистор. На этом резисторе рассеивается часть тормозной энергии в диапазоне высоких скоростей торможения.

При отсутствии в сети потребителей, рекуперируемая электрическая энергия через тормозной преобразователь поступает в дополнительные тормозные резисторы и рассеивается в них.

Принцип действия асинхронного двигателя

Понять принцип действия асинхронного двигателя не сложно, если не пользоваться учебниками для вузов и школ. Зачастую академическая литература лишь препятствует пытливому уму разобраться в работе электромоторов и часто навсегда отбивает охоту заниматься изысканиями, связанными с электротехникой и электромеханикой. В последнее время у многих людей, не связанных напрямую с наладкой и проектированием машин, появился интерес к сборке самодельных станков, механизмов, летательных аппаратов и самодвижущихся машин. Поэтому в этой статье мы попытались доступно объяснить принцип действия асинхронного электродвигателя без сложных понятий и формул.

Работа любого асинхронного двигателя построена на принципе вращающегося магнитного поля. Как его можно создать? Например, можно взять постоянный магнит и начать вращать его вокруг своей оси – получится вращающееся магнитное поле. А если крутить магнит возле медного диска, то он станет вращаться вслед за магнитом, пытаясь его догнать. Со стороны наблюдателя кажется, что между магнитом и диском есть невидимая вязкая связь. Их движение не синхронно, диск крутится с некоторым отставанием.

Объяснить это явление можно тем, что магнит при вращении возбуждает в структуре диска индукционные токи или токи Фуко. Они всегда движутся по замкнутому кругу — нигде не начинаясь и нигде не заканчиваясь, и являются, по сути, токами короткого замыкания, которые разогревают металл и от которых обычно пытаются избавиться. Но в нашем случае они полезны, т.к. порождают во вращаемом диске магнитное поле, которое дальше взаимодействует с полем постоянного магнита.

В асинхронных электродвигателях всё происходит по тому же принципу, только чтобы получить вращающееся поле, используют не постоянный магнит, а обмотки статора, в которых создаётся поле вращения. Условия для вращения можно создать только в многофазных системах, где ток сдвинут по фазе на определённый градус. В быту используются двухфазные электродвигатели, где вторая фаза создаётся искусственно с помощью сдвигающего конденсатора, катушки или сопротивления. В промышленности применяют трёхфазные системы.

Первый трёхфазный асинхронный двигатель был сделан русским учёным Доливо-Добровольским. Схема его работы показана на рисунке. Статор состоял из трёх обмоток (полюсов), отдалённых друг от друга на 120°. Вверху показан график синусоидального тока всех трёх полюсов, наложенных на один рисунок. В момент, когда ток одной из фаз равен нулю (отмечено пунктиром), две другие имеют значения близкие к максимальным и отличаются по направлению тока. Так между двумя работающими обмотками создаются магнитное поле. В следующий момент ситуация меняется – один из работающих полюсов отключается, оставшийся в работе меняет полярность (т.к. в обмотке меняется направление тока), а полюс только что включившийся в работу, поддерживает сместившееся магнитное поле. Магнитные линии пересекают часть металлического ротора и в нём генерируются вихревые токи. Они взаимодействуют с вращающимся полем статора и увлекаются за ним, пытаясь его догнать, и ротор проворачивается.

Читать еще:  А321 самолет сколько двигателей

Основной принцип работы асинхронного двигателя, созданного в позапрошлом веке, остаётся актуальным и для современных электродвигателей. Только вместо дисковых и цилиндровых роторов стали использовать короткозамкнутые роторы по типу «беличья клетка» и фазные роторы. Также изменилась форма обмоток статора – вместо катушек с полюсными наконечниками теперь делают радиальные обмотки, уложенные в пазы.

Асинхронные двигатели хороши тем, что они не имеют скользящих контактов (ток в роторе индуцируется бесконтактно), а направление вращения легко поменять, изменив направление тока в одной из обмоток (поменяв фазы на клеммах мотора). Выше была рассмотрена работа статора с одной парой рабочих полюсов (двухполюсного с тремя обмотками). Количество оборотов в минуту такого электромотора равно частоте тока, т.е. 50 об/сек или 3000 об/мин. Изготавливают также 4-х и 6-ти полюсные электродвигатели с шестью и девятью обмотками соответственно. Частота вращения таких моторов составляет 1500 и 1000 об/мин.

Подведём итоги. Принцип действия асинхронного двигателя основывается на создании в обмотках статора вращающегося магнитного поля, которое пересекает контур ротора и индуцирует в нём электродвижущую силу. Поскольку он замкнут на коротко, то в нём возникает переменный ток. Магнитное поле этого тока вместе с вращающимся магнитным полем статора создают крутящий момент. Ротор начинает крутиться и пытается сравнять свою скорость со скоростью убегающего поля статора. Но как только частота вращения ротора совпадёт с частотой вращения магнитного поля статора, в роторе затухнут все электромагнитные процессы и крутящий момент станет равным нулю. Ротор начинает отставать и магнитное поле статора снова начинает возбуждать контур ротора. Этот процесс будет повторяться всё снова и снова. Таким образом, частота вращения ротора стремится догнать частоту вращения магнитного поля статора, но всё время отстаёт, т.е. вращается не синхронно, а значит асинхронно.

В станкостроении асинхронные двигатели не заменимы. Ни какой другой тип электромоторов не имеет такой высокой износоустойчивости и универсальности. Поэтому такое оборудование как станок для сетки рабицы, правильно-отрезной и просечно-вытяжной станки, выпускаемые на нашем предприятии, оснащены именно асинхронными электроприводами. На видео хорошо объясняется принцип работы асинхронного электродвигателя, его устройство и отличительные особенности

Принцип действия асинхронного двигателя

В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них (на основании закона электромагнитной индукциие = Blv) переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки и указано на рис. 10.12 крестиками. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем (на основании закона Ампера F = ВlI) возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий в ту же сторону.

Под действием момента ротор приходит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

n = (0,92 ÷ 0,98) n*.

*Для двигателей общего назначения.

Рис. 10.12. К пояснению принципа действия асинхронного двигателя

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера — взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Эдс обмотки статора

Вращающееся магнитное поле, распределенное синусоидально вдоль воздушного зазора, пересекает проводники обмотки статора и наводит в них переменную, изменяющуюся синусоидально во времени ЭДС E1.

Среднее значение ЭДС в одном витке Е’ср можно определить с помощью закона электромагнитной индукции:

где Вср — среднее значение магнитной индукции вращающегося магнитного поля; l — длина проводника обмоток статора; v — скорость движения магнитного поля относительно проводников обмотки статора.

Скорость движения магнитного поля

где D — внутренний диаметр сердечника статора; n = 60f1/p — частота вращения магнитного поля.

Подставив в (10.15) вместо v его значение из (10.16), получим

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector