В какой бы сфере не участвовал человек, повсюду применяются электрические моторы. Сегодня изделия задействованы как в промышленности, так и в быту. Механизмы несут массу положительных качеств: простота, надёжность, долговечность, экологическая чистота. Характеристики дают моторам охватывать большее количество незанятых ниш, изделия уже вплотную используются в автомобилестроении.
Среди разновидностей, по количеству произведённых электрических машин, асинхронный двигатель занимает первое место. Относительная дешевизна и универсальность мотора при эксплуатации стали решающим фактором, повлиявшим на массовость выпуска. Перспективы развития агрегатов увеличиваются, поскольку сегодня нет, чище способа получить механическую работу, чем использовать электричество. В реалиях, целесообразность экологических аспектов растёт с каждым годом в геометрической прогрессии, поэтому рассмотрим установку детально.
Асинхронный двигатель в разрезе:
История асинхронного двигателя
Начало развития асинхронных двигателей было положено в 88 году девятнадцатого века, когда итальянский электротехник Галилео Феррарис опубликовал в Турине статью о теоретических основах асинхронного электродвигателя. Ошибочные выводы итальянца о небольшом коэффициенте полезного действия асинхронных двигателей вызвало большой интерес среди других инженеров. Силы большинства учёных направлены на усовершенствование изделия.
Итальянский электротехник Галилео Феррарис (1847-1897 года жизни):
После того, как в том же году статью перепечатал английский журнал, её прочитал выпускник Дармштадтского технического училища, М.О. Доливо-Добровольский. Через год, талантливый выходец из Российской Империи получил патент на трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Русский электротехник Доливо-Добровольский (1862-1919 года жизни):
Труды изобретателя положили начало массовому применению электрических двигателей. Так, в Новороссийске в третьем году двадцатого века, под руководством учёного, построен первый в мире элеватор, использовавший промышленную сеть переменного трёхфазного тока с трёхфазными трансформаторами и синхронными двигателями с фазным ротором. Сегодня, трёхфазный асинхронный двигатель Добровольского, самая распространённая электрическая машина.
Устройство асинхронного двигателя
Назначение асинхронного двигателя, это преобразование энергии электричества в механическую работу. Выполнить эту задачу установке помогают две детали: статор и ротор.
Устройство статора представлено в виде неподвижной части мотора, которая взаимодействует с подвижной частью, ротором. Между ротором и статором воздушный зазор, разделяющий механизмы. Активной частью механизмов является обмотка и детали сердечника, проводящие магнитный поток, возбуждаемый электрическим током, проходящим по обмотке. С целью минимизировать магнитные потери, при перемагничивании сердечника, деталь набирают из пластин, изготовленных из электротехнической стали. Обмотка статора конструктивно равномерно укладывается проводниками в пазы сердечника, угловое расстояние 120°. Схема соединения фаз обмотки статора «треугольник» или «звезда». В целом, статор представляет собой большой электрический магнит, цель которого, создать магнитное поле.
Статор и ротор асинхронного двигателя:
Схема подключения «звезда» или «треугольник» выбирается в зависимости от напряжения питания сети. Существенную роль играют такие понятия:
Фазное напряжение, соответствует разности потенциалов между началом и концом одной фазы, или разница потенциалов между линейным и нейтральным проводом.
Линейное напряжение, разность потенциалов между двумя линейными проводами (фазами)
| Значение символов | Схема «звезда» | Схема «треугольник» |
| Uл, Uф – напряжения (линейные и фазовые), В;
Iл, Iф – ток (линейный и фазовый), А; S – мощность, Вт; P – мощность активная, Вт. |
 ;
|
 ;
|
Важно! Мощность для соединения «звезда» и «треугольник» рассчитывается по одной формуле. Однако, подключение одного и того же асинхронного двигателя разными соединениями в одну и ту же сеть, приведёт к разной потребляемой мощности. Неправильное подключение способно расплавить обмотки статора.
Схемы подключений:
Поскольку асинхронный двигатель широко распространён повсеместно, на его долю приходится потребление от 45% до 50% вырабатываемой электроэнергии. Что бы снизить расход электроэнергии (почти на 50%) и не потерять в мощности и цене двигателя, в конструкции механизма используют применение совмещённых обмоток. Принцип заключается в схеме подключения нагрузки к сети. Совмещение обмоток «звезда» «треугольник» при последующем подключении к трёхфазной сети даёт в итоге систему из шести фаз, угол между магнитными потоками в которой равен 30°. Метод сглаживает кривую магнитного поля между ротором и статором, это положительно сказывается на показателях электродвигателя.
В зависимости от конструкции ротора, асинхронный двигатель условно делят на виды: короткозамкнутый ротор, фазный ротор. Статор обоих механизмов одинаков, отличительная черта, обмотка. Сердечник ротора так же выполнен из электротехнической стали, методом комбинирования прямых и косых стыков пластин.
Составные детали двигателя размещаются в корпусе. Для небольших моторов корпус делают цельнолитым, материал изделия, чугун. Кроме того, применяют сплав алюминия, либо сталь. Некоторые корпуса в маленьких двигателях совмещают функцию сердечника, в мощных двигателях корпус выполняется из составных частей.
Поскольку асинхронный мотор относится к электрической машине, изделие применяется как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Однако, как генератор, асинхронный механизм имеет ряд недостатков, которые не позволили машине использоваться массово в этом качестве.
Тип подвижной части
Как уже упоминалось, в зависимости от того, в каком виде выполнена подвижная часть, асинхронные двигатели делят:
- Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Такая конструкция носит название «беличья клетка» за внешнюю схожесть. Конструктивно механизм состоит из стержней, которые замкнуты по торцам кольцами. Материал детали, медь или алюминий. В двигателях малой и средней мощности конструкцию выполняют, заливая расплавленный алюминий в пазы сердечника ротора, заодно выполняются кольца и торцевые лопасти. Назначение лопастей, вентилировать мотор. В мощных двигателях стержни клетки делают из меди, торцы стержней приваривают к кольцам.
Наличие зубцов с низким магнитным сопротивлением, в сравнении с сопротивлением обмотки, вызывает пульсацию магнитного потока. Пульсация приводит к росту гармонических токов напряжения электродвижущей силы. Чтобы снизить это явление, а так же уменьшить шум, пазы ротора или статора делают скошенными.
Недостаток короткозамкнутого ротора в том, что пусковой момент двигателя этой конструкции небольшой, наряду со значительным показателем пускового тока. Применение этих моторов целесообразно в случаях, если не требуются большие пусковые моменты. Достоинство: простота изготовления, низкая инерция, нет контакта со статической частью, как следствие, долговечность и приемлемая стоимость обслуживания.
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя:
- Асинхронный двигатель с фазным ротором.
Чаще конструкция имеет трёхфазную обмотку, иногда многофазную. Как правило, обмотка соединена по схеме «звезда» с выводом на кольца контакта, вращающиеся с валом двигателя. По кольцам контакта скользят щётки, выполненные из металла и графита. С помощью этих щёток, в цепь обмотки ротора встраивают реостат, отвечающий за регулировку пуска. Регулировка возможна, поскольку реостат играет роль добавочного активного сопротивления для каждой фазы.
Фазный ротор асинхронного двигателя:
Фазный ротор двигателя при включении максимально увеличивает момент пуска и уменьшает ток, это возможно из-за применения реостата. Такие характеристики приводят в действие механизмы, для которых характерна большая нагрузка в момент пуска.
Принцип работы
Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:
Здесь:
- f – частота сети в Герцах;
- p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).
Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.
Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.
Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля. Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2< n1). Для определения величины отставания введён термин «скольжение», показатель определяется по формуле:
Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:
Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.
Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.
Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.
Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.
Подключение двигателя
До того, как подключить асинхронный двигатель, ознакомьтесь с его паспортом. Обмотки статора двигателя соединены «звездой» или «треугольником», в зависимости от напряжения сети. Если в паспорте указано, что механизм рассчитан на применение 220/380В, это означает, что при подключении мотора на 220В обмотки соединяют схемой «треугольник», если напряжение сети 380В, обмотки соединяют схемой «звезда».
Маркировка на коробке для клемм:
Сбор схем проводится в коробке для клемм, расположенной на корпусе электродвигателя, перед выполнением работ, коробку разбирают. Начало каждой обмотки именуется U1, V1, W1 соответственно. Концы обмоток подписываются так же U2, V2, W2. При отсутствии в коробке для клемм маркировки выводов, начало и конец обмотки определяют, используя мультиметр.
Процедура выполняется следующим образом:
- Подписываем бирки, которыми будем маркировать выводы обмоток;
- Определяем принадлежность шести выводов к трём обмоткам. Для этого берём мультиметр, переключаем в положение «200 Ом». Один щуп подключаем к любому из шести проводов, второй щуп используем, что бы прозвонить оставшиеся пять выводов. При нахождении искомого провода показания прибора будут отличными от «0».
- Эти два провода — первая обмотка двигателя. Надеть на провода бирки (U1, U2) в произвольном порядке.
- Проделываем аналогичную процедуру со второй и третьей обмоткой. Выводы второй обмотки маркируем (V1, V2), выводы третьей обмотки маркируем (W1, W2).
- Определяем вид подключения обмоток (согласованный или встречный).
Важно! Согласованное подключение создаёт электродвижущую силу, которая будет равна сумме сил обмоток. Встречное подключение даст электродвижущей силе нулевое значение, поскольку силы будут направлены друг навстречу другу.
- Катушку (U1, U2) соединяем с катушкой (V1, V2), после чего на выводы (U1, V2) подаём переменное напряжение 220 вольт.
- На выводах (W1, W2) меряем переменное напряжение. Если значение напряжения равно нулю, то обмотки подключены встречно, если прибор показывает некоторое значение, обмотки (U1, U2) и (V1, V2) подключены согласованно.
- Аналогичным образом определяем правильность подключения третьей обмотки.
- В зависимости от типа двигателя подключаем промаркированные концы проводов схемой «звезда» или «треугольник».
- Подаём питание на двигатель, проверяем работу.
При необходимости обратного вращения асинхронного двигателя, для этого меняют местами два провода подключаемого источника трёхфазного напряжения.
Подключение двигателя на одну фазу
Для бытовых нужд использование трёхфазного мотора проблематично, поскольку отсутствует требуемое напряжение. Решение проблемы, использовать однофазный асинхронный двигатель. Такой мотор оснащен статором, однако конструктивно изделие отличается количеством и расположением обмоток, а так же схемой их запуска.
Схема подключения однофазного двигателя:
Так, однофазный асинхронный двигатель со статором из двух обмоток будет располагать их со смещением по окружности под углом 90°. Соединение катушек будет параллельным, одна — пусковая, вторая — рабочая. Что бы создать вращающееся магнитное поле, дополнительно вводят активное сопротивление, или конденсатор. Сопротивление создаёт сдвиг фаз токов обмотки, близкий к 90°, что помогает создать вращающее магнитное поле.
При использовании статором асинхронного двигателя одной катушки, подключение источника питания в одну фазу создаст пульсирующее магнитное поле. В обмотке ротора появится переменный ток, который создаст магнитный поток, как следствие работа двигателя не произойдёт. Для запуска такого агрегата создают дополнительный толчок, подключив конденсаторную схему пуска.
Асинхронный двигатель, рассчитанный на подключение к трёхфазному источнику питания, работает и от одной фазы. Пользователей интересует вопрос, как подключить асинхронный двигатель на 220В. Помните, что подключение снизит коэффициент полезного действия двигателя, а так же повлияет на мощность и показатели пуска. Для выполнения задачи надо из трёх обмоток статора собрать схему, сделав так, что бы обмоток было две. Одна обмотка будет рабочей, вторая используется для запуска агрегата. Как пример, предположим, что есть три катушки с начальными выходами (U1, V1, W1) и конечными выходами (U2, V2, W2). Создаём первую рабочую обмотку, объединив концы (V2, W2), а начало (V1, W1) подключаем к сети в 220В. Пусковой обмоткой будет оставшаяся катушка, которую подключают к питанию через конденсатор, соединив её с ним последовательно.
Асинхронный двигатель с двумя скоростями
Иногда необходимо изменить скорость асинхронного двигателя. Механизмы с управлением от электронного блока дорогие, поэтому применяют двухскоростной асинхронный двигатель. Принцип такого механизма в том, что обмотку в этом моторе подключают особым образом, по схеме Даландера, что меняет скорость вращения.
Схема подключения Даландера:
Подключая выводы U1, V1, W1 к напряжению в три фазы, двигатель вписывается в схему «треугольник» и работает на пониженной скорости. Если выводы (U1, V1, W1) замкнуть, а питание кинуть на (U2, V2, W2), то получится двухскоростной электродвигатель, работающий по схеме «двойная звезда», увеличивающей скорость в два раза.