Асинхронные двигатели

Асинхронные электромашины – устройства, в которых частота вращения ротора и магнитного поля статора не совпадают.

Описание

В большинстве случаев, эти механизмы представляют собой двигатели. Первую пригодную к практическому использованию модель асинхронного электрического двигателя продемонстрировал и запатентовал русский инженер Доливо-Добровольский ещё в XIX веке (1889 г.) Эта конструкция привела также к идее использования трёхфазного тока, являющегося основным промышленным видом и по настоящее время.

Благодаря своим исключительным преимуществам:

• высокой надёжности;
• возможности прямого подключения к потребительской сети переменного тока;
• простоте эксплуатации и обслуживания

асинхронный двигатель в конструктивном отношении практически не изменился и стал наиболее распространённым типом электродвигателей. Они используются в качестве приводов практически повсеместно. Маломощные асинхронные (до 500 В) двигатели могут питаться от потребительской сети с одной фазой.

Устройство электромашин 

Двигатель асинхронного принципа работы составлен из двух главных компонент: статора с ротором. Статор – элемент неподвижный, ротор – приводной, вращающийся. Сердечники их состоят из пакетов стальных пластин. Таковая структура не даёт возникнуть в магнитопроводах асинхронных двигателей вихревым токам. Статорный сердечник запрессован в отлитую целиком станину. В его пазах с внутренней стороны находится обмотка из алюминиевой либо медной проволоки с изоляцией. Три части обмотки называются фазами. Обозначения выводов:

– на двигателях асинхронных, сконструированных до 1987 г. (ГОСТ183-74), буквами С с индексами: 1-3 – начала, 4-6 – концов фаз; нейтраль – буквой О;

– сейчас – международные: буквами U – первая фаза, V – вторая; W – третья, N – нейтраль. Начало фазы обозначается цифрой 1, а конец 2.

Статорные обмотки соединяются «звездой» либо «треугольником». Схема соединений обозначается на клеммной колодке, расположенной на станине двигателя вместе с напряжением питания. К примеру, 660/380, Y/∆ означает, что двигатель асинхронный «звездой» следует подключать к электросети с напряжением 660 В, а «треугольником» – к сети на 380 В. Обмотки статорные являются источниками вращающемуся магнитному полю.

Типы роторов

Роторная обмотка двигателя асинхронного заложена в пазы на внешней поверхности сердечника. Она бывает короткозамкнутой или фазной.

– Ротор короткозамкнутый. Обмотка составлена стержнями, замкнутыми между собой накоротко с обоих концов торцевыми кольцами. Тип обмотки называется «беличьей клеткой» из-за сходства по форме с беличьим колесом. У асинхронных двигателей с таким ротором нет наиболее слабого звена электромоторов – подвижных контактов, что существенным образом повышает надёжность и долговечность конструкции.

– Ротор фазный. Основным недостатком описанного выше асинхронного двигателя является ограниченность пускового момента по величине, обусловленная как раз короткозамкнутостью ротора. Для решения этой проблемы Доливо-Добровольским была разработана конструкция двигателя с асинхронной реализацией и с фазной обмоткой роторной. Количество полюсных пар должно совпадать с таковым у обмотки статорной. Витки соединены по схеме «звезда». На роторном валу установлены изолированные между собой кольца контактные, к которым выведены концы фазных витков. С внешней электролинией кольца двигателя асинхронного соединяются посредством металлографитовых щёток.

Преимущества и недостатки

Асинхронные электродвигатели с КЗ-ротором обладают следующими достоинствами:

• относительной стабильностью скорости при изменении нагрузки;
• устойчивостью к кратким механическим перегрузкам;
• конструктивной простотой;
• лёгкостью запуска и автоматизации этого процесса;
• повышенными cos φ и КПД, сравнительно с двигателями асинхронной же конструкции, но с фазным ротором.

К недостаткам же такого асинхронного двигателя относятся:

• проблемы в организации регулировки скорости вращения;
• большая величина тока пускового (в 5-10 раз выше номинальной), что приводит к перегрузке питающего асинхронные двигатели источника и скачкам в сети напряжения;
• низкий cos φ в случае недогрузки и, соответственно, падение полезной мощности.

Исходя из этого, применение асинхронного двигателя с ротором короткозамкнутым предпочтительно там, где в регулировке частоты вращения необходимости нет.

Асинхронные двигатели с ротором фазным имеют такие преимущества:

• высокий стартовый, вращающий ротор, момент;
• сохранение числа оборотов при перегрузках;
• пониженный пусковой ток;
• возможность плавного пуска в режиме автоматическом;
• регулируемость в некоторых пределах скорости вращения.

Такие двигатели асинхронные будут оптимальны на тех участках, где скачки тока нежелательны, и в механизмах, требующих переменной скорости вращения привода.

Принцип работы

Основными принципами, лежащими в основе действия асинхронных электромашин, являются:

• создание статорными обмотками кругового магнитного поля, вращающегося в охватываемом ими объёме;
• порождение в обмотке ротора ЭДС индукции;
• появление наведённого тока в ней;
• возникновение электромагнитной силы, направленной перпендикулярно радиусу ротора (момента вращающего).

Поле магнитное вращается в сторону, определяемой порядком фазового чередования на статорных обмотках асинхронного двигателя. Частоту вращения поля определяют частота тока в питающей электросети и количество пар полюсов. Она не зависит от режима работы асинхронного двигателя и величины его нагрузки.

Важным свойством электродвигателя является возможность переключения его в режим генератора переключением фаз. В этом случае асинхронные двигатели с массивным ротором, тормозясь, возвращают электроэнергию в сеть питания.

Пуск асинхронных двигателей

Для старта таких электромоторов существует несколько способов:

• Прямое включение в сеть. Применимость этого простейшего метода ограничивается допустимостью скачков тока на линии. Мощность двигателя не должна быть более четверти мощности питающего линию трансформатора.
• При сниженном напряжении. Суть метода заключается в начальном разгоне ротора двигателя асинхронного типа напряжением, уменьшенным дросселями либо понижающими трансформаторами. При запуске этим способом электродвигатель должен находиться на холостом ходу, без нагрузки.
• Реостатный пуск. Через реостаты запускаются двигатели асинхронные нагруженные с ротором фазного исполнения. Эти элементы ограничивают величину пускового тока, пусковой же момент при этом увеличивается.
• С помощью частотного преобразователя. Плавный режим пуска асинхронного двигателя обеспечивается изменением угловой скорости магнитного поля статора при помощи изменения частоты подаваемого напряжения. Способ эффективен для двигателей с непостоянным режимом работы, например, приводов вспомогательных насосов в линиях неравномерного потребления воды.
• При помощи устройств плавного пуска. Эти схемы плавно меняют величину напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, выводя его в рабочий режим без механических рывков и токовых перегрузок в сети.
• Существуют также асинхронные двигатели с КЗ-ротором с пусковыми свойствами улучшенными, плавно выходящие на номинальные обороты благодаря конструктивным особенностям роторной обмотки. Она может быть двойной «беличьей клеткой» или располагаться в глубоком пазу. В обоих случаях пусковыми являются участки обмотки с более глубоким залеганием в теле ротора асинхронного двигателя.