Асинхронный электродвигатель для чего предназначен
Асинхронный двигатель принцип работы
Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.
Асинхронный двигатель: что это
Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.
Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.
Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:
Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:
Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.
Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы
Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.
Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.
Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора. 
(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)
Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.
Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.
Однофазный асинхронный двигатель
Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.
Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.
Двухфазный асинхронный двигатель
Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.
Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.
На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.
Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.
Схемы подключения
Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».
Треугольник
Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).
В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.
Звезда
Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.
Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.
Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).
В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.
Функциональные и эксплуатационные особенности
Характерные преимущества асинхронных двигателей:
Среди недостатков можно отметить:
Как производятся расчеты
Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:
И выразить из нее скорость вращения ротора:
В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.
При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:
Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:
И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.
Асинхронный двигатель
Асинхронный двигатель – электрическая машина, работающая в двигательном режиме, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит также от нагрузки. Основа работы электродвигателя – преобразование электрической энергии в механическую. Трехфазный асинхронный электродвигатель был разработан и впервые создан в 1889 году русским ученым-электротехником М.О. Доливо-Добровольским. Совместно с разработкой двигателя Михаил Осипович разработал и осуществил впервые в мире в 1891 году систему передачи трехфазного тока на расстояние.
Строение асинхронного двигателя
Для того, чтобы разобраться в теории работы двигателя, нам надо рассмотреть из чего же он состоит.
На самом же деле асинхронный двигатель состоит из трех частей (слева-направо): ротора, статора и корпуса, но главными частями считаются именно ротор и статор, о которых мы с вами и поговорим.
Статор асинхронного двигателя
Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.
Как было упомянуто, сердечник статора состоит из пластин, которые изолированы друг от друга. С внутренней стороны статора есть пазы
в которые укладывается изоляция
Далее в эти пазы наматывается медный лакированный провод определенным образом, который представляет из себя обмотки статора
Асинхронный двигатель имеет три «куска» медного провода
Которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга.
Все 6 концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.
Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода. Учитывая, что номинальное число оборотов двигателя обратно пропорционально номинальной нагрузке, можно смело сказать, что скорость вращения вала асинхронного двигателя будет уменьшаться при увеличении нагрузки. Если при работе двигателя начнут уменьшаться его обороты из-за роста нагрузки, то не остановка этого процесса может привести к полной остановке двигателя. Двигатель начнет сильно гудеть, вал ротора не будет крутиться – возникнет сильный нагрев катушек, с последующим разрушением изоляции моточного провода, что приведет к короткому замыканию и возгоранию обмоток.
Реальное фото статора одного из асинхронного двигателя выглядит вот так.
Ротор асинхронного двигателя
Давайте более подробно рассмотрим, из чего же состоит ротор асинхронного двигателя.
Самая главная часть — это вал. Иначе, как бы происходило вращение?
На вал ротора с двух сторон надеваются подшипники, которые крепятся к передней и задней крышкам и центруют ротор ровно посередине статора.
Далее идет сердечник, набранный из листов специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, сетевые трансформаторы собираются из такой же стали.
Как вы можете далее заметить, в сердечнике ротора есть специальные пазы
В них вставляются медные или алюминиевые стержни,
которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую «беличью клетку».
В общем виде полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит вот так.
А вот так он выглядит в реальном двигателе.
Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор — это неподвижная часть, а ротор — подвижная часть электродвигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. При работе двигателя ротор ни в коем случае не должен задевать статор двигателя.
Информационная табличка на двигателе (шильдик)
Полную и достоверную информацию о двигателе можно узнать, если уметь «читать» шильдик. Точнее то, что на нем написано. Начнем описание шильдика рассматриваемого двигателя сверху вниз.
Способы подключения асинхронного двигателя
Как мы уже с вами узнали, асинхронный двигатель имеет три обмотки. На современный манер они обозначаются английскими буквами U,V,W. Начало каждой обмотки обозначается цифрой «1», а конец обмотки цифрой «2».
Поэтому, есть два способа соединения обмоток: звездой и треугольником.
Способ соединения «звезда»
Способ «звезда» подразумевает соединение одинаковых выводов обмоток (начала или концы обмоток) в одну (нулевую) точку.
В клеммной коробке двигателя это соединение будет иметь такой вид.
Как вы видите, в этом случае с помощью железных пластин мы закоротили концы обмоток в одну общую точку.
Соединение таким способом практикуется, в основном, на двигателях промышленного назначения. Часто завод-изготовитель, для таких двигателей, которые не будут реализовываться через розничную сеть, производит соединение «звездой» уже внутри статора. На корпус двигателя выводится не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому, помните: если вы увидите, что у асинхронного двигателя только 3 провода, это значит, что его обмотки уже соединены по типу «звезда».
Способ соединения «треугольник»
Соединение «треугольник» выполняется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, а конец третьей – с началом первой. В места соединения подается питающее трехфазное напряжение.
В двигателе это будет выглядеть вот таким образом.
Восстановление маркировки обмоток
Если точнее, маркировка обмоток нужна только для определения направления намотки катушек обмотки. Конец и начало обмотки обозначают только с этой целью. Дело в том, что при включении обмотки в работу в ней начинают возникать вихревые токи, которые движутся по направлению «от начала к концу». Если обмотки включить по принципу «начало с началом, конец с концом», то токи суммируются, обмотки превратятся в один большой резистор и возникнет огромный суммарный ток. Двигатель начнет сильно гудеть и не будет вращаться. Очень быстро начнут нагреваться обмотки, и двигатель сгорит. Причем, вполне возможно, вспыхнет настоящее пламя оранжево-синего цвета с очень вредным и неприятным запахом.
Существует способ определения концов и начал обмоток.
Весь этот процесс очень хорошо показан на видео. Автор этого видео использовал для проверки сетевое напряжения в 220 Вольт, что я крайне не рекомендую делать. Используйте понижающие трансформаторы, либо автотрансформатор.
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 выше, 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. Более подробно про работу конденсатора в цепи переменного тока можно прочитать в этой статье. 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. В схеме со звездой это будет выглядеть вот так.
Для того, чтобы поменять вращение двигателя, нам надо просто поменять местами фазу (L) и ноль (N) местами.
Ну и все то же самое касается и со схемой подключения «треугольник».
Как выбрать конденсатор
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.
Итак, формула расчета конденсатора:
С – искомая емкость конденсатор, мкФ
К – коэффициент, зависящий от схемы подключения обмоток
IН – номинальный ток двигателя, Амперы
U – напряжение сети, Вольты
Коэффициент К будет равен 4800 при соединении обмоток «треугольником», и 2800 – при соединении «звездой». В качестве примера, можно рассчитать емкость для рассматриваемого здесь двигателя, взяв необходимые данные с его шильдика.
Соединение «треугольник»: С = 2,3 × 4800/220 = 50,2. Полученное значение оказалось дробным, поэтому округлим его до целого в большую сторону. Итак, нам нужен конденсатор емкостью 51 мкФ на напряжение 380 В.
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.
Как проверить двигатель перед запуском
Перед тем, как запустить асинхронный двигатель в работу, желательно его проверить на работоспособность. С чего же начать?
Внешний осмотр двигателя. Проверьте, нет ли сколов, вмятин, покрутите вал двигателя. Он должен крутиться плавно и без рывков в обе стороны. Этим действием вы проверяете подшипники, на которых держится ротор двигателя. Если вал двигателя подклинивает, то на это могут быть несколько причин: разбиты посадочные места под подшипники, убитые подшипники, либо ротор затирает статор. Для того, чтобы выяснить причину, нужно будет полностью разобрать двигатель и выяснить реальную проблему. Если все ок, то двигаемся к следующему шагу.
Проверяем обмотки двигателя. Для этого берем мультиметр, ставим его на измерение сопротивления и проверяем сопротивление обмоток. Если обмотки подключены по схеме «звезда», то нам будет достаточно замерять сопротивление между клеммами, куда подается напряжение питания. Делается это в три этапа.
Во всех трех случаях сопротивление должно быть одинаково. Допускается отклонение в несколько Ом.
Этими тремя действиями мы проверили обмотки нашего двигателя и убедились, что они все целые.
И заключительный шаг. Проверяем, не звонятся ли обмотки на землю. Так как все обмотки так или иначе соединяются между собой, достаточно будет встать щупом мультиметра на любую из обмоток, а вторым щупом встать на корпус двигателя. Переключатель на мультиметре поставить на измерение МОм.
В идеале должно получиться бесконечно большое сопротивление, в реале от 100 МОм и выше. Если сопротивление очень маленькое, что то около 1-10 Ом, то это означает, что какая-то из обмоток двигателя звонится на землю, что категорически недопустимо. На практике если же сопротивление меньше 1 МОм, то надо выяснить причину и устранить ее. Скорее всего в двигатель попала влага, грязь, либо произошел пробой диэлектрика медного провода. В этом случае поможет только полная разборка и визуальное выяснение причины.
Все те же самые операции применяются и к двигателю со схемой подключения «треугольник».
Большинство материала для статьи «асинхронный двигатель» было взято из видео ниже. Обязательно к просмотру.