Асинхронный двигатель как действует сила

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).

  Изобретение фотографии и её физика

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.

  Что такое нефть

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, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину.

Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов.

Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции.

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых  с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора.

Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается.

Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться.

В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым роторомС фазным ротором

1. Простое устройство и схема запуска	1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления	2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется	3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени	4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации	5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

  Что такое генератор водорода и как его сделать своими руками

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым роторомС фазным ротором

1. Не регулируется скорость вращения ротора	1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент	2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток	3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

• Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.
• В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.
• Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

  Как правильно снять показания со счетчика электроэнергии?

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора.

Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток.

Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:

1. Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
2. Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
3. Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
4. Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
5. Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.

Электродвигатели




Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (беличья клетка).

Обмотка статора (обмотка возбуждения) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках ротора ток.

На проводники с током обмотки ротора со стороны магнитного поля обмотки возбуждения действуют электромагнитные силы — образуется вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем.

Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля статора (поэтому электродвигатель и называется асинхронным), в противном случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю и магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и создавать крутящий момент.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Обмотки ротора выводятся на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включается пускорегулирующий реостат. Увеличивая сопротивление реостата в момент пуска, можно увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Синхронные электродвигатели

Обмотка статора (якорная обмотка) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле. На роторе находится индукторная обмотка, выведенная на контактные кольца.

При пуске обмотки ротора закорачиваются накоротко или через реостат, и двигатель разгоняется в асинхронном режиме.

После выхода на скорость, близкую к номинальной, индуктор запитывается постоянным током — создаётся постоянное магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем статора и начинает вращаться с ним синхронно (двигатель входит в синхронизм).

Режимы работы асинхронного двигателя

• Двигательный

Электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в механическую.

• Генераторный

Асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля – на валу появляется тормозной момент. В этом режиме электродвигатель преобразовывает механическую энергию в электрическую и отдаёт её в сеть.

• Электромагнитного тормоза

Асинхронный двигатель переходит в режим электромагнитного тормоза, если ротор и магнитное поле статора вращаются в разные стороны — на валу появляется тормозной момент, но двигатель при этом продолжает потреблять электроэнергию из сети — вся потребляемая энергия идёт на нагрев двигателя.

Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

• Реостатное

В цепь ротора (двигателя с фазным ротором) вводятся добавочные сопротивления — механическая характеристика двигателя становится мягче (ухудшается устойчивость работы, увеличивается скольжение), скорость снижается, при этом увеличивается пусковой момент и сохраняется перегрузочная способность. Недостатки: большие потери на реостате, скорость меняется скачками.

• Изменением числа пар полюсов В многоскоростных двигателях, по-разному коммутируя обмотки статора, можно менять число пар полюсов, а значит и скорость вращения вала, т.к. скорость вращения магнитного поля пропорциональна числу пар полюсов. При этом способе сохраняется КПД и жёсткость механических характеристик, но снижается перегрузочная способность (которую можно сохранить, изменяя напряжение). Недостатки: ступенчатое регулирование, высокая цена, большие габариты.
• Частотное

Для этого способа регулирования применяются преобразователи частоты. Если при изменении частоты сохранять неизменным магнитный поток (а для этого мы должны поддерживать постоянным соотношение U/f), то мы получаем семейство механических характеристик с одинаковой жёсткостью и перегрузочной способностью. Преимущества: плавность регулирования, отличные экономические характеристики, возможность увеличивать частоту выше 50 Гц (частоты сети).

• Короткозамкнутый ротор (беличья клетка)
• Фазный ротор: обмотка ротора выведена на контактные кольца, вращающиеся с валом двигателя. С помощью металлографитовых щёток в цепь ротора включается пуско-регулирующий реостат. С помощью этого реостата можно уменьшить пусковой ток и регулировать скорость вращения вала двигателя.

Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник». Если на шильдике двигателя написано: 220/380, D/Y, то это значит, что двигатель можно включать в сеть с Uл = 220 В по схеме «треугольник», а с Uл = 380 В — по схеме «звезда».

Для IEC двигателей стандартное напряжение — 230/400 В, а для отечественных — 220/380 В.

Типоразмер

Типоразмер или габарит (Frame size) — это расстояние в миллиметрах «от пола» до оси вала двигателя. Типоразмеры отечественных двигателей (ГОСТ) и импортных (IEC, NEMA) в общем случае не совпадают: наши двигатели ниже, чем импортные той же мощности.

Материал корпуса (станины)

• Алюминий (Aluminium)
• Чугун (Cast Iron).

Коэффициент полезного действия (Efficiency)

• КПД η равен отношению механической мощности на валу двигателя P2 к потребляемой из сети электрической мощности P1.
•    P1 = √3 х U х I х cos φ    P2 = M х n / 9,55    η = P2 / P1
• Выходная мощность меньше входной на величину потерь.

Класс энергоэффективности

• EFF1 (High Efficiency motors)
• EFF2 (Improved Efficiency motors)
• EFF3 (Conventional Efficiency motors).

Монтажное исполнение

• Лапы (Foot) литые с корпусом или прикручиваемые
• Фланцы (Flange) с врезными отверстиями (малые фланцы) или со сквозными (большие фланцы)
• Комбинированные — лапы и фланец.

Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей

Класс защиты корпуса двигателя IP

Стандартная степень защиты электродвигателей — IP55.

Подробнее о расшифровке кодов IP

Скорость вращения

Скорость вращения магнитного поля двигателя (синхронная скорость): n1 = 60f / p [об/мин], где p — число пар полюсов двигателя,

f — частота сети (50 Гц).

• 2 полюса — 3000 об/мин
• 4 полюса — 1500 об/мин (стандарт)
• 6 полюсов — 1000 об/мин
• 8 полюсов — 750 об/мин
• 10 полюсов — 600 об/мин
• 12 полюсов — 500 об/мин.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения магнитного поля: n2 = n1(1 — s), где s — скольжение.

Многоскоростные электродвигатели — это двигатели, у которых ступенчатое изменение скорости реализовано с помощью переключения числа пар полюсов.

Температура окружающей среды и высота над уровнем моря

При установке двигателя выше 1000 метров над уровнем моря и при эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды необходимо учитывать снижение (Derating) мощности двигателя (для этого есть специальные таблицы).

Класс нагревостойкости изоляции

• B — 130° С
• F — 150° С (достаточно для работы от преобразователя частоты)
• H — 180° С

Номинальные характеристики двигателя для всех классов изоляции указываются для температуры охлаждающей среды +40°С.

Подробнее о классах нагревостойкости изоляции

Режим нагрузки (Duty)

• S1 — продолжительный: двигатель работает при установившейся температуре
• S2 — кратковременный: двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, но во время остановки успевает полностью охладиться
• S3 — повторно-кратковременный: работа с постоянной нагрузкой чередуется с выключениями, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
• S4 — повторно-кратковременный с длительными пусками: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
• S5 — повторно-кратковременный с длительными пусками и электрическим торможением: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
• S6 — перемежающийся: работа с постоянной нагрузкой чередуется с работой на холостом ходу, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
• S7 — перемежающийся с длительными пусками и торможениями: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
• S8 — перемежающийся с периодическим изменением скорости вращения: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры

Тепловая защита двигателя

• PTC-термисторы — это резисторы, сопротивление которых мгновенно возрастает при достижении заданной температуры. От 1 до 3 термисторов соединяются последовательно для сигнализации температуры отключения (Trip), например, 155°C. Ещё одна цепочка термисторов может быть настроена на сигнал предупреждения (Alarm), например, 145°C.
• PT100 — платиновые датчики температуры обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения. PT100 подключаются по 2-х, 3-х или 4-х проводной схеме (чем больше проводов — тем меньше влияние помех). От 3 до 6 датчиков PT100 могут устанавливаться в обмотку статора.Для измерения температуры подшипников могут быть использованы ещё 2 датчика PT100.
• KTY — кремниевые термодатчики с положительным коэффициентом сопротивления, характеризуются высокой линейностью характеристики, высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Сервис-фактор

Двигатель с сервис-фактором 1.1 может постоянно работать с перегрузкой 10% от номинального выходного момента.

Класс по моменту (Torque class)

Класс по моменту показывает кратность пускового момента (при прямом пуске от сети) при пониженном на 5% напряжении:

• Класс 16 — 160%
• Класс 13 — 130%
• Класс 10 — 100%
• Класс 7 — 70%
• Класс 5 — 50%

Коэффициент мощности cos φ

Коэффициент мощности (cos φ) равен отношению потребляемой двигателем активной мощности к полной мощности. Активная мощность расходуется на совершение полезной работы. Полная мощность равна геометрической сумме активной и реактивной мощности.

Реактивная мощность расходуется на намагничивание двигателя.

Антиконденсационный нагрев

Для того, чтобы перед пуском двигателя в сыром помещении просушить обмотки есть два способа:

• Использовать двигатель со специальным встроенным нагревателем
• Подать на одну обмотку статора напряжение от 4 до 10% номинального (чтобы пропустить ток от 20 до 30% от номинального), что достаточно для испарения конденсата (применимо не для всех двигателей). Некоторые преобразователи частоты умеют это делать.

Охлаждение

• Поверхностное охлаждение (Non-ventilated: вентилятора нет)
• Самовентиляция (Self-ventilated: вентилятор на валу двигателя)
• Принудительное охлаждение (Forced cooling: независимый вентилятор или жидкостное охлаждение водой или маслом)

Для турбомеханизмов (вентиляторы и насосы, для которых момент на валу пропорционален квадрату скорости), как правило, достаточно самовентиляции. Двигатели, которые работают от преобразователей частоты с постоянным моментом длительное время на низких скоростях, необходимо или переразмеривать, или обеспечить принудительным охлаждением.

Классификация методов охлаждения электрических двигателей

Вентилятор

• Пластиковый
• Металлический
• Металлический с увеличенным моментом инерции

Требования к двигателю при работе от преобразователя частоты

• Температурный класс изоляции не ниже F
• Возможно принудительная вентиляция (см. выше)
• Изолированный подшипник с нерабочей стороны вала (рекомендуется для типоразмеров 225 и выше)

Подшипники

При работе от преобразователя частоты на частотах выше 50 Гц срок службы подшипников уменьшается.

У одних двигателей с рабочей стороны вала установлен плавающий подшипник (Floating bearing), а с нерабочей стороны подшипник зафиксирован (Located bearing). У других — наоборот (для сочленения с редуктором, например).

В стандартном исполнении подшипники подпружинены в аксиальном направлении (вдоль вала) для обеспечения равномерной работы двигателя. У двигателей с радиально-упорными подшипниками такой пружины нет, поэтому радиальное усилие (перпендикулярно валу — от ремня, например) должно быть приложено постоянно, иначе подшипник быстро выйдет из строя.

Смазка

Как правило, для двигателей с типоразмерами до 250, работающих в номинальном режиме, смазка рассчитана на весь срок службы подшипников. Для пополнения смазки у двигателя должен быть предусмотрен специальный ниппель.

Вал двигателя

У двигателя может быть выведен второй конец вала двигателя, который может передавать как номинальный, так и меньший момент. Второй конец вала несовместим с такими опциями как: датчик скорости и вентилятор принудительного охлаждения, а, возможно, и с тормозом.

Тормоз

При выборе тормоза необходимо учесть:

• Тип:
• статический (удерживающий тормоз срабатывает только при неподвижном вале)
• динамический (можно регулировать момент торможения, меньше изнашивается в случае аварийного торможения)
• Максимальную скорость, при которой возможно аварийное торможение
• Момент нагрузки
• Момент инерции
• Число пусков
• Напряжение питания: переменное (~220В) или постоянное (=24В)
• Скорость срабатывания: тормоз с выключением на DC-стороне срабатывает быстрее (для подъёмника, например), чем тормоз с выключением на AC-стороне (для конвейера)

Датчик скорости

1. Датчик скорости может находится герметично внутри корпуса (Incapsulated) или снаружи под защитной крышкой.
2. Сервопривод
3. Устройства плавного пуска



• 
• 
• 

 © Туманов А.В., 2016-2022

Асинхронный электродвигатель: принцип работы и устройство

Самым эффективным устройством, превращающим электрическую энергию в механическую, является асинхронный двигатель, изобретенный инженером Доливо-Добровольским в конце 19 века.

Учитывая возрастающий интерес современников к разработке и сборке станков, самодвижущихся аппаратов и прочих механизмов, мы постараемся объяснить, как работает асинхронный электродвигатель, чтобы вы могли понять принцип его действия и результативно его использовать.

Устройство асинхронного электродвигателя

В его конструкцию входят следующие элементы:

• Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
• Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
• Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом.

Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл.

В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

• Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
• Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
• Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
• Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.