Сегодня электродвигатели всё чаще приходят на замену безнадежно устаревшим бензиновым агрегатам и используются как в современном транспорте, так и в многочисленных электронных устройствах.
Примеры использования этих силовых агрегатов можно встретить повсюду.
Вибровызов в телефоне осуществляется благодаря работе электродвигателя, современный электровелосипед тоже едет благодаря электродвигателю и даже «любимое» метро — всё это электродвигатели.
Разновидностей электродвигателей сегодня существует огромное количество, но есть один важный фактор, который будет практически для всех них схожим. Речь идёт о физике работы этого типа устройств.
Отметим, что далеко не все они будут использовать в своей работе описываемый далее принцип, но большая часть электродвигателей работают именно так. Как минимум, физический эффект, на котором всё это держится, сохраняется.
Прежде, чем обсуждать подробно физику процесса, благодаря которому происходит вращение электродвигателя, рассмотрим сначала конструкцию простейшего двигателя.
Конструкция простейшего электродвигателя
Простейший электродвигатель
Опять-таки, отметим, что рассматриваемая конструкция — это далеко не единственный вариант реализации подобных устройств. Однако, большая часть приборов работает именно так и среди бытовых приборов или в транспорте вы вряд ли обнаружите что-то другое. Поэтому, рассмотрим простейшую схему и элементарный вариант реализации прибора.
Конструкция самого простого электродвигателя является довольно примитивной. Он состоит из статора и ротора. Всё это убрано в корпус и подсоединяется проводами к источнику электрической энергии. Ещё есть подшипники, но это вещь сугубо механическая и нас сейчас не особенно интересует.
Части двигателя
Статор — это неподвижная часть. Преимущественно неподвижная часть представлена постоянными магнитами. Но бывает и обратный вариант, когда на статоре выполнена обмотка. Различие обусловлено тем, в сети какого типа работает двигатель — постоянного или переменного тока.
Ротор — это подвижная часть, которая, как правило является якорем, а на нем выполнена обмотка. К ротору подходят щётки, на которые подается электрический ток.
Щетки подключаются проводами к источнику питания. Именно они «передают электричество». Но щетки есть не во всех конструкциях двигателей.
Вся конструкция смонтирована в корпус и в закрытом виде представляет собой готовый к работе силовой агрегат. Иногда на ротор двигателя ещё добавляется крыльчатка вентилятора, которая обеспечивает циркуляцию воздуха через агрегат и его дополнительное охлаждение. Так обычно монтируются двигатели постоянного тока.
На валу двигателя мы получаем крутящий момент, который прекрасно можно использовать для своих нужд. Например, передать его посредством зубчатой передачи на редуктор или использовать непосредственно для получения полезной работы (как в вентиляторе дома).
Женщина доила корову, а воде отражалось всё наоборот. Такое может быть и с конструкцией электродвигателя. Тогда намотка там будет на статоре, вместо ротора. Это уже будут двигатели переменного тока. Сам же ротор будет выполнен или из постоянных магнитов, или выглядеть как короткозамкнутая клетка (её ещё именуют беличье колесо).
Быть или не быть тёмной материи?
Бывает также, что и статор, и ротор электродвигателя представляют собой обмотки. Тогда картина незначительно меняется. Правда смысл всё равно сохраняется прежним. Про принципы конструирования таких машин мы поговорим чуть позже.
Принцип работы любого электродвигателя
Физический принцип работы электродвигателя держится на свойствах рамки с током в магнитном поле. Самое простое объяснение эффекта будет поверхностным, но ясным. Вспомните, как ведут себя два магнита, которые мы сводим одноименными полюсами. Они отталкиваются! При некотором приближении, можно сказать, что это и есть физический принцип работы любого электродвигателя.
Тем или иным способом нам нужно создать два магнитных поля, которые оттолкнут друг друга.
Если одно поле создать на крутящемся якоре, а второе на корпусе или статоре, то одно поле будет толкать другое, а движение будет превращаться в крутящий момент и получится двигатель. Дальше остается только поиграться с конструкцией.
И таких конструкций известно много, но мы обсудим самые распространенные. Это двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока. Последний вариант разделяют на синхронные и асинхронные.
Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока
Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.
Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.
Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.
Рамка с током в магнитном поле
В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.
Вот так крутится рамка
Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.
Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.
Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление.
Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока.
Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.
Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.
Физический принцип работы электродвигателя переменного тока
Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.
Если двигатель переменного тока однофазный (или, правильнее сказать, может работать в нашей электрической цепи на 220 В) , то в обмотке статора при прохождении тока создается пульсирующее магнитное поле.
Это поле раскладывается на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой. Для разложения мы просто делаем замкнутый контур и получаем, что по одной части контура ток идёт в одну сторону, а по другой — в противоположную. Вот вам и момент, который крутанет рамку с током.
А точнее — ротор определенной конструкции. Дальше обмотку статора «разносят» на 180 градусов и получают рабочую схему.
Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, «даёт пинок» нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!
Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять.
Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей.
Но про это как-нибудь в другой раз.
Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.
Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.
Синхронный и асинхронный двигатели переменного тока
Двигатели переменного тока подразделяют на синхронные и асинхронные. Для постоянного тока это разделение не имеет особого смысла. Ведь там нет как такового понятия фаза и изменения направления тока.
Логика работы в обоих двигателях одинаковая. Но, судя по названию, в асинхронном что-то должно происходить ни в такт с основным процессом.
Синхронный и асинхронный двигатели отличаются преимущественно конструкцией ротора.
В роторе синхронного двигателя предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения или постоянные магнитики. Они толкают ротор относительно пульсирующего магнитного поля.
Ротор синхронного двигателя
У асинхронного ротора ток формируется с помощью магнитного статорного поля. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила. Ротор похож по своей конструкции на колесо для грызуна. Но бывают и варианты с обмоткой, расположенной определенным образом.
Ротор асинхронного двигателя
В синхронном двигателе поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость. Ротор вращается в соответствии и точно в такт с полем статора. Частота вращения ротора синхронна частоте тока обмотки статора.
У асинхронных агрегатов имеет место разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения. Это то самое проскальзывание. Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора.
Не забываем, что обмотка ротора асинхронного двигателя, будь-то клетка или катушки под 120 градусов, является замкнутым контуром. В ней наводится ЭДС, а возникающий магнитный поток придает вращение ротору, отталкиваясь от пульсирующего магнитного поля статора.
Движется эта кухня в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора, но это не всегда получается (а лучше сказать — никогда).
Ведь уровнять эти моменты можно лишь в случае, если создавать поля одновременно, как в синхронном двигателе. Также влияет механическая нагрузка, которая подключена к валу ротора и мешает догнать поле. Но и в свободном состоянии эти цифры будут различаться.
Ведь у любого механизма имеется некоторая инертность, а на время появления поля в замкнутой клетке (т.е. роторе асинхронного двигателя) тоже требуется время.
Вообщем-то, это основные вещи, которые вам следует уяснить. Всё остальное — это погружение в особенности конструкций конкретных агрегатов.
Устройство и принцип работы электродвигателя
Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов.
В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.
В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.
Как работает электродвигатель
Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.
Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.
В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.
На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.
В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.
В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.
В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.
Виды электродвигателей
Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:
- Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
- Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.
По принципу работы:
- Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
- Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.
- Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .
- Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя
В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.
Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым. Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.
Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.
Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе.
Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения.
Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.
Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.
Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС.
Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности.
Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.
Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.
Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.
Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока
Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).
Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.
В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.
Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:
- Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
- Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
- Износ подшипников.
Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.
Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.
Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.
Электродвигатели постоянного тока | Техника и человек
Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока.
В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день.
Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.
Устройство и принцип работы
ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.
Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.
Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.
Краткая история создания
Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом.
При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ.
Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.
Особенности ДПТ
Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.
Достоинства и недостатки ДПТ
К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.
Сфера применения
Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д.
кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах.
Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.
Асинхронный двигатель: определение, назначение и особенность конструкции привода
- Асинхронные двигатели — это надёжные в работе устройства, которые применяются как на машинах промышленного производства, так и в конструкциях обычной бытовой техники (типичным примером являются стиральные машины).
- Асинхронные двигатели обладают высоким коэффициентом полезного действия, и из-за их частого применения новичкам в электрике лучше подготовиться к работе с такими типами элементов в конструкциях различных машин.
- О принципах работы этого элемента расскажем в нашей статье.
Какие бывают
Есть несколько группы асинхронных приводов. К ним относят следующие:
- Асинхронные приводы, в конструкциях которых есть короткозамкнутый ротор.
- Асинхронные приводы, в конструкциях которых есть фазный ротор.
Главные различия групп основаны на том, что первого типа не обладают щётками и выраженными обмотками. Можно сказать, что эта группа менее капризна, поскольку её проще обслуживать и ремонтировать.
Устройства второй группы обладают тремя обмотками, которые соединены с кольцами контактов, при этом ток в них снимается с помощью щёток. Во второй группе регулировать моменты значительно проще, при этом запуск обладает высокой плавностью.
Существуют и иные способы классификаций асинхронных двигателя.
Их можно различать по следующим характеристикам:
- Сколько в асинхронном приводе фаз питания. Соответственно, встречаются с одной, двумя или тремя фазами. Устройство на две фазы используются в стандартных сетях на двести двадцать вольт. На три фазы чаще используют в машинах на промышленном производстве, поскольку напряжение там выше.
- Способы крепления. Закреплять асинхронный привод можно с помощью фланца, специальной детали для закрепления, и с помощью лап.
- Различия по режимам работы.
Двигатели асинхронные работают в следующих режимах:
- длительный режим работы;
- кратковременный режим работы;
- повторяющийся кратковременный режим работы.
Существуют и другие параметры, по которым можно относить асинхронные двигатели к разным группам.
Обычно двигателям с одной фазой уделяют больше внимания. Они могут подключаться самыми разными способами, как через конденсаторы, так и через рабочие ёмкости. Виток данного вида коротко замкнут, то есть работать без конденсаторов (актуально для вытяжек).
Подробнее о конструкции
Асинхронные двигатели работают в цепях с переменным током. Название они получили от ротора, которые вращается гораздо медленнее, чем поле в статоре, обеспечивая несинхронное вращение. Для лучшего понимания нужно рассмотреть элементы двигателя.
Во всех асинхронных приводах есть роторы и статоры. Можно сказать проще:
- Статоры являются неподвижным элементом любых генераторов и электрических двигателей.
- Роторы являются вращающимся элементом, который обеспечивает движение в генераторах и электрических асинхронных устройствах.
Статоры включают в себя корпус. На торцах корпус закрывают щитами подшипника, кроме того, там же устанавливают сами подшипники.
Подшипники могут скользить или раскачиваться. Кроме того, в корпусах располагают сердечники с обмотками. Они и являются обмотками статора.
Поскольку токи являются переменными, необходимо снижать потери, возникающие при блуждающем токе, или токе Фуко. Для этого сердечники изготавливают из ряда пластинок, которые изолированы между собой окалинами и скрепляются лаком.
Обмотки принимают напряжение питающего напряжения. Проходящий через эту часть конструкции ток называется током статора.
Обмотки встречаются разного количества, от одной до необходимого числа. Нужное число обмоток зависит от того, сколько в двигатели будет фаз питания.
У асинхронных приводов с тремя фазами существует по три обмотки, соединённых схемами треугольником и звездой. При этом количество обмоток повлияет на скорость вращений на вале.
Роторы бывают разными. Разделяют фазный ротор и ротор короткого замыкания.
Ротор короткого замыкания обладает стержнями из металла (металл может быть разным, например, алюминий или медь).
На рисунке обозначен двойкой. Сердечник располагается под номером один и он связан с ротором. Они замкнуты с помощью кольца под номером три.
Благодаря такому типу конструкции создаётся колесо, напоминающее колесо для бега мелких домашних животных.
Из-за этого иногда данную деталь называют беличьим колесом. При этом стрежни в части размещают немного под углом, для уменьшения гармоники электродвижущей силы и пульсаций магнитных полей.
В чём отличие этого ротора от фазного ротора? На фазных обычно уже есть 3 обмотки, как и у статора. Обмотки соединяются с кольцами, как правильно медными, которые прессуют на вале электродвигателя.
Кольца вала соединяются с механизмами, которые приводя конструкцию в движение. Форма может быть как кинической, так и цилиндрической, чтобы можно было правильно соединить деталь с остальной конструкцией.
С обратной стороны вала расположена крыльчатка, благодаря которой происходит обдув и охлаждение. Сверху чаще всего на крыльчатку надет кожух.
Благодаря этому прохладная струя воздуха направлена вдоль устройства. Если вентилятор не придёт в движение, двигатель перегреется и выйдет из строя.
Как работает
Принцип работы устройства непосредственно связан с индукцией. Из-за того, что магнитные поля в отдельных частях устройства взаимодействуют, асинхронные электрические приводы начинают вращаться.
Поле возникает вокруг проводников или постоянных магнитов с помощью проходящего через эти элементы электрического тока. Подробнее рассмотрим работу элемента.
Обмотки для возбуждения системы в данном двигателе нет. Из-за этого многие задаются вопросом, как вообще может работать асинхронный привод. Объясняется это тем, что электрический асинхронный двигатель является своего рода трансформатором.
Особенности действия лучше объяснять на примере устройств с тремя фазами, поскольку они используются чаще других.
Обмотки в сердечниках располагаются следующим образом (хотя само по себе расположение можно считать условным):
- Ток с тремя фазами протекает через обмотки, помогая созданию вращающегося магнитного поля. Фазы сдвигаются, благодаря чему ток может проходить по разным обмоткам. При этом в возникших магнитных полях полюса направляются по правилу правой руки. Они идут в ту сторону, согласно которой установлена определённая обмотка. На графике изменение положений и прохождение тока выглядит следующим образом:
- В двигателях с двумя полюсами обмотки смещаются на сто двадцать градусов по сравнению с каждой идущей до неё обмоткой. Углы сдвигов фаз напряжения в сетях с переменным током при этом тоже меняются.
Магнитные поля статоров обладают синхронной скоростью вращения. Более наглядно увидеть принцип работы вращения можно в следующем видео.
При этом помните, что в двигателях с одной и двумя фазами вращение не происходит. Кроме того, они обладают не тремя, а всего двумя обмотками.
Если в двигателе установлен ротор с коротки замыканием, в стержне статоров появляется электродвижущая сила. Из-за замкнутости по части проходить электрический ток, влияющий на появление магнитного поля.
Из-за того, что сила тока и несколько полей взаимодействуют между собой, ротор начинает вращаться, следуя за вращением магнитного поля статора. Хотя от статора он всё же немного отстаёт, поэтому можно сказать, что он скорее скользит.
Скорость вращений магнитных полей считают синхронной скоростью. Получается, что ротор вращается уже асинхронно, из-за чего двигатель и назвать именно так.
Ротор на фазу работает примерно по тому же принципу. Главное отличие в том, что кольца фазного ротора соединены с реостатом. Реостат выходит из цепи в процессе работы устройства, благодаря чему обмотки могут замыкаться.
Благодаря этому двигатель запускается, пусковой ток значительно снижается благодаря повышению сопротивления в роторе.
Итак, можно прийти к следующим выводам:
- Благодаря току в обмотке двигателя появляются магнитные поля.
- Магнитные поля рождают токи в роторах.
- Благодаря токам в роторе магнитные поля образуются вокруг этого элемента двигателя.
- Статор вращается из-за своего поля.
- Это приводит к тому, что ротор тоже вращается, поскольку следует за магнитным полем статора.
Подробнее о скольжении и скорости вращения элементов
Допустим, что n1 обозначается частоты вращений магнитных полей в статоре. Они больше, чем в роторе. Частоту вращений в роторе обозначим n2. Для того, чтобы определить разницу между ними, надо найти скольжение.
При этом скольжение в этом случае не является минусом для двигателя. Если бы вращение было синхронным, в стержне не появлялся бы ток, поэтому двигатель не начал бы свою работу.
Частота является одной из ключевых характеристик для ротора двигателя. Её работу характеризуют три единицы:
- Частота напряжений в питающих сетях, обозначается f.
- Сколько есть пар магнитных полюсов, обозначается p.
- Значение скольжения, обозначается S.
Магнитные пары и их количества напрямую зависят от количества обмоток в статоре. Значение скольжения напрямую зависит от того, как сконструирован двигатель и можно сказать, что асинхронные скорости слегка меньше синхронных скоростей.
Частоты в переменном токе равняются пятидесяти герцам, поскольку это фиксированная величина.
По этой причине почти невозможно воздействовать на вращение в асинхронном двигателе. Однако можно оказывать влияние на частоты в питающей сети, с помощью частотного преобразователя.
С помощью этого элемента можно понизит напряжение в статоре, но это повлияет на снижение мощности в двигателе и потерю коэффициента полезного действия всего устройства.
Варианты электрического двигателя могут быть следующими:
- Одна пара полюсов, то есть три тысячи оборотов в минуту.
- Две пары полюсов, то есть полторы тысячи оборотов в минуту.
- Три пары полюсов, то есть тысяча оборотов в минуту.
- Четыре пары полюсов, то есть семьсот пятьдесят оборотов в минуту.
На самом деле вращение будет немного более сниженным, обычно информацию о вращении можно найти на маленькой табличке на корпусе электрического двигателя.
Где используют
Как мы уже писали выше, сегодня такие типы двигателя встречаются повсеместно. Двигатели, которые могут быть запитаны однофазно, встречаются в самых разных устройствах.
Обычно в тех, которым нужна малая мощность для работы. Обычно это приборы, которые люди каждый день используют в условиях быта:
Маленькие стиральные машины, либо старые модели.
- Машина для размешивания бетона.
- Вентиляторы.
- Вытяжки.
- Современные косилки газонов.
В промышленно производстве:
- Задвижки автоматики.
- Устройства для поднятия больших грузов, например, лебёдки.
- Вентиляционные устройства.
- Компрессор.
- Насос.
- Станки для различного рода обработки, например, для обработки дерева и металла.
Асинхронные двигатели используют в электрическом транспорте. Причём сегодня можно встретить самые разные модели двигателей для таких устройств. Подробнее о том, как выглядят и работают такие двигатели, можно увидеть в видео.
- Даже в наших примерах нельзя достаточным образом описать, где ещё используют двигатели, потому что они действительно встречаются довольно часто.
- Именно по этой причине необходимо знать об устройствах двигателей не только специалистам, но и новичкам в электрике.
- В заключение упомянем о достоинствах и недостатках двигателей.
- К достоинствам относят:
- Они обладают простой конструкцией;
- Цена считается демократичной;
- Не нужно постоянное обслуживание.
Основным минусом является регулировка оборотов. У устройств с постоянным током регулировка гораздо проще. Поэтому и большие устройства сложно запускать, обычно это происходит с использованием преобразователей.
Это основные моменты, которые следует знать об асинхронном приводе и принципе его функционирования. Важно тщательно исследовать устройство данного типа, поскольку оно встречается в широком спектре электрических машин!
Электродвигатели постоянного тока. устройство и работа. виды
Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах, заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения. Основные положительные особенности, которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:
| — гибкие пусковые и регулировочные характеристики; |
| — двухзонное регулирование, которое позволяет достигать скорости вращения более 3000 об/мин. |
Отрицательные черты:
| — сложность в изготовлении и высокая стоимость; |
| — в процессе работы необходимо постоянное обслуживание, так как коллектор и токосъемные щетки имеют небольшой ресурс работы. |
Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.
Конструкция ДПТ
Двигатель постоянного тока состоит из:
| — индуктора (статора); |
| — якоря (ротора); |
| — коллектора; |
| — токосъемных щеток; |
| — конструктивных элементов. |
Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.
Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.
- Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока
- Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:
- 1) ДПТ с постоянными магнитами;
- 2) ДПТ с электромагнитами:
| — ДПТ с независимым возбуждением; |
| — ДПТ с последовательным возбуждением; |
| — ДПТ с параллельным возбуждением; |
| — ДПТ со смешанным возбуждением. |
Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока
Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.
Пуск двигателя постоянного тока
Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:
| — при необходимости плавного разгона электродвигателя; |
| — в начальный момент времени, пусковой ток Iп = U / Rя очень большой, что вызывает перегрев обмотки якоря (которая имеет малое сопротивление). |
- Только ДПТ мощностью до 1 кВт допускают к старту без пусковых реостатов, так называемый «прямой пуск».
- Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями
- В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.
Регулирование скорости вращения
Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:
Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:
| U – питающее напряжение; |
| Iя – ток в якорной обмотке; |
| Rя – сопротивление якорной цепи; |
| k – конструктивный коэффициент двигателя; |
| Ф – магнитный поток двигателя. |
- Формула момента двигателя:
- Подставив в формулу электромеханической характеристики,получим:
- Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.
Режимы работы эл. двигателей
Используя уже известный нам график для характеристик, но расширив его на четыре квадранта, можно оценить существующие режимы работы оборудования.
Нумерация квадрантов происходит против часовой стрелки, начиная с правого верхнего, в котором координаты по обеим осям идут со знаком «+». Как видно из графика, в первом и третьем квадрантах наблюдается двигательный режим, для которого мощность Р = М·ω >, 0. В двух других квадрантах реализуется режим генератора или тормозной, имеющий отрицательное значение мощности.
Как видим, график образует несколько характерных точек и зон, ответственных за отдельные режимы:
- Холостой ход. Образуется в точке ωо. В этом случае ток и момент равны нулю, а сам эл. двигатель не получает энергии,
- Генератор при параллельном подключении. Называется еще тормозным с рекуперацией в сеть. Реализуется при ω >, ωо и E >, U. Эл. двигатель получает механическую энергию от работающего оборудования, а в сеть взамен отдается электрическая (генератор тока),
- Короткое замыкание. В этом случае ω = 0 и Е = 0. Механическая энергия от вращения вала не отдается, а электрическая превращается в тепловую,
- Генератор при последовательном соединении. Этот режим еще называется торможением с противовключением. При этом ω
Загрузка...
