Принцип работы асинхронного двигателя | Заметки электрика

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта http://zametkielectrika.ru.

Электрические машины переменного тока нашли широкое распространение, как в сфере промышленности (шаровые мельницы, дробилки, вентиляторы, компрессоры), так и в домашних условиях (сверлильный и наждачный станки, циркулярная пила).

Основная их часть является бесколлекторными машинами, которые в свою очередь разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные и синхронные электрические машины обладают одним замечательным свойством под названием обратимость, т.е. они могут работать как в двигательном режиме, так и в генераторном.

Но чтобы дальше перейти к более подробному их рассмотрению и изучению, необходимо знать принцип их работы. Поэтому в сегодняшней статье я расскажу Вам про принцип работы асинхронного двигателя. После прочтения данного материала Вы узнаете про электромагнитные процессы, протекающие в электродвигателях.

Итак, поехали.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

С устройством асинхронного двигателя мы уже знакомились, поэтому повторяться второй раз не будем. Кому интересно, то переходите по ссылочке и читайте.

При подключении асинхронного двигателя в сеть необходимо его обмотки соединить звездой или треугольником. Если вдруг на выводах в клеммнике отсутствует маркировка, то необходимо самостоятельно определить начала и концы обмоток электродвигателя.

При включении обмоток статора асинхронного двигателя в сеть трехфазного переменного напряжения образуется вращающееся магнитное поле статора, которое имеет частоту вращения n1. Частота его вращения определяется по следующей формуле:

• f — частота питающей сети, Гц
• р — число пар полюсов

Это вращающееся магнитное поле статора пронизывает, как обмотку статора, так и обмотку ротора, и индуцирует (наводит) в них ЭДС (Е1 и Е2). В обмотке статора наводится ЭДС самоиндукции (Е1), которая направлена навстречу приложенному напряжению сети и ограничивает величину тока в обмотке статора.

Как Вы уже знаете, обмотка ротора замкнута накоротко, у электродвигателей с короткозамкнутым ротором, или через сопротивление, у электродвигателей с фазным ротором, поэтому под действием ЭДС ротора (Е2) в ней появляется ток. Так вот взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора создает электромагнитную силу Fэм.

Направление электромагнитной силы Fэм можно легко найти по правилу левой руки.

Правило левой руки для определения направления электромагнитной силы

На рисунке ниже показан принцип работы асинхронного двигателя. Полюса вращающегося магнитного поля статора в определенный период обозначены N1 и S1. Эти полюса в нашем случае вращаются против часовой стрелки. И в другой момент времени они будут находится в другом пространственном положении. Т.е. мы как бы зафиксировали (остановили) время и видим следующую картину.

Токи в обмотках статора и ротора изображены в виде крестиков и точек. Поясню. Если стоит крестик, то значит ток в этой обмотке направлен от нас. И наоборот, если точка, то ток в этой обмотке направлен к нам. Пунктирными линиями показаны силовые магнитные линии вращающегося магнитного поля статора.

Устанавливаем ладонь руки так, чтобы силовые магнитные линии входили в нашу ладонь. Вытянутые 4 пальца нужно направить вдоль направления тока в обмотке. Отведенный большой палец покажет нам направление электромагнитной силы Fэм для конкретного проводника с током.

На рисунке показаны только две силы Fэм, которые создаются от проводников ротора с током, направленным от нас (крестик) и к нам (точка). И как мы видим, электромагнитные силы Fэм пытаются повернуть ротор в сторону вращения вращающегося магнитного поля статора.

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен от нас (крестик).

Поясняющий рисунок для определения электромагнитной силы Fэм для проводника с током, который направлен к нам (точка).

Совокупность этих электромагнитных сил от каждого проводника с током создает общий электромагнитный момент М, который приводит во вращение вал электродвигателя с частотой n.

Эта частота называется, асинхронной.

Отсюда и произошло название асинхронный двигатель. Частота вращения ротора n всегда меньше частоты вращающегося магнитного поля статора n1, т.е. отстает от нее. Для определения величины отставания введен термин «скольжение», который определяется по следующей формуле:

Выразим из этой формулы частоту вращения ротора:

Пример расчета частоты вращения двигателя

Например, у меня есть двигатель типа АИР71А4У2 мощностью 0,55 (кВт):

• число пар полюсов у него равно 4 (2р=4, р=2)
• частота вращения ротора составляет 1360 (об/мин)

Вот его бирка.

Определим частоту вращения поля статора этого двигателя при частоте питающей сети 50 (Гц):

Найдем величину скольжения для этого двигателя:

Кстати, направление движения вращающегося магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения вала электродвигателя, можно изменить. Для этого необходимо поменять местами любые два вывода источника питающего трехфазного напряжения. Об этом я упоминал Вам в статьях про реверс электродвигателя и чередование фаз.

Принцип работы асинхронного двигателя. Выводы

Зная принцип работы асинхронного двигателя, можно сделать вывод, что электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала электродвигателя.

Частота вращения магнитного поля статора, а следовательно и ротора, напрямую зависит от числа пар полюсов и частоты питающей сети. Если число пар полюсов ограничивается типом двигателя (р = 1, 2, 3 и 4), то частоту питающей сети можно изменить в большем диапазоне, например, с помощью частотного преобразователя.

Если в нашем примере частоту питающей сети увеличить всего на 10 (Гц), то частота вращения магнитного поля статора увеличится на 300 (об/мин).

Опыт по установке и монтажу частотных преобразователей у меня есть, но не большой. Несколько лет назад на городском водоканале мы проводили замену двух высоковольтных двигателей насосов холодной воды на низковольтные двигатели с частотными преобразователями. Но это уже отдельная тема для разговора. Сейчас покажу Вам несколько фотографий.

Вот фотография старого высоковольтного двигателя напряжением 6 (кВ).

А это новые двигатели напряжением 400 (В), установленные вместо старых высоковольтных.

Вот шкафы частотных преобразователей. На каждый двигатель свой шкаф. К сожалению, изнутри сфотографировать не успел.

Подписывайтесь на рассылку новостей с моего сайта, чтобы не пропустить самое интересное. В ближайшее время я расскажу Вам про пуск и способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей двигателей, схемы их подключения и многое другое.

P.S. На этом статью про принцип работы асинхронного двигателя я завершаю. Спасибо за внимание.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

zametkielectrika.ru

Как работает асинхронный электродвигатель — ElectrikTop.ru

Электродвигатели, которые работают от сети переменного тока, называют асинхронными. Такое определение они получили из-за особенностей взаимодействия магнитных полей статора и ротора, в результате которого их скорость вращения различается.

Устройство этих электрических машин проще, чем работающих на постоянном токе, поскольку их статор не имеет электрического соединения с внешними устройствами, осуществляемого посредством токосъемных колец – коллектора, за что они получили и свое второе название «бесколлекторные электродвигатели».

Пальма первенства в их изобретении принадлежит русскому инженеру М. О. Доливо-Добровольскому, создавшему первый действующий трехфазный двигатель в 1890 году. Стоит отметить, что его конструкция не претерпела коренных изменений на протяжении более ста лет.

Почему он вращается

Принцип работы электродвигателя переменного тока основан на феномене возникновения вращающегося магнитного поля, в двух или трех соленоидах, определенным образом ориентированных в пространстве.

Направление вектора электромагнитного поля определяется правилом левой руки, согласно которому четыре пальца указывают направление движения тока, а пятый (большой) – движения самого проводника под действием сил электромагнитной индукции, входящих в открытую ладонь.

Если соленоид один, то при пропускании через него переменного тока стальной сердечник совершает колебательные движения. Чтобы он смог совершить оборот на 360°, нужны минимум две катушки, расположенные перпендикулярно друг другу, из-за чего суммарный вектор силы электромагнитной индукции будет описывать окружность.

Лучший, более стабильный, результат получается при использовании трех соленоидов, расположенных под углом друг к другу в 120°. Сдвиг фазы тока в катушках соленоида может быть достигнут не только позиционированием, но и включением в цепь одного из них активной нагрузки. Например, конденсатора.

Почему он асинхронный

Магнитное поле статора наводит в сердечнике ротора электрический ток, в результате чего он обзаводится собственным. Его полюса стремятся притянуться к тем, которые его породили, но это движение никогда не завершится по двум причинам:

1. При совпадении полюсов пропадает разница электрических потенциалов между деталями машины, из-за чего ток в роторе прекращает течь, магнитное поле исчезает, а вал затормаживается. Эта своеобразная пульсация частоты вращения более выражена в двигателях, работающих от одной или двух фаз. Поэтому три катушки предпочтительнее.
2. Статор больше ротора на величину магнитного зазора, поэтому создаваемое им магнитное поле имеет большую угловую скорость относительно центра вала.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Оптимальным конструкторским решением расположения соленоидов является их размещение на внутренней поверхности цилиндра (трубы), внутри которого находится металлический вращающийся сердечник. Первый, поскольку он неподвижный, назвали статором электрической машины, а второй – ротором.

Постоянство расстояния между этими частями, называемого магнитным зазором, обеспечивается двумя крышками с подшипниками качения в центре. У асинхронных двигателей он не превышает трех миллиметров, поскольку при больших значениях сила электромагнитного взаимодействия между ротором и статором ослабевает настолько, что вал останавливается.

Конструкция ротора

Утверждение, что все асинхронные – это бесколлекторные электродвигатели, является допущением, в котором есть исключение. В действительности конструкция подвижной части электрической машины переменного тока бывает двух типов:

1. Короткозамкнутый ротор.
2. Ротор с фазными обмотками.

Короткозамкнутым называют ротор, устройство которого похоже на беличье колесо: он состоит из двух медных колец и нескольких толстых проводников, их соединяющих. Пространство между ними – сердечник – набирают из листов легированной стали, что уменьшает паразитные вихревые потоки. Во время пуска двигателя вращающееся поле статора провоцирует возникновение в нем электрического тока, а поскольку все проводники детали соединены друг с другом, возникает короткое замыкание.

Поэтому пусковой ток асинхронных двигателей в два — три раза номинального рабочего. После того как ротор тронется с места, ток расходуется на создание магнитного поля. Из-за простоты устройства мирятся и с падением напряжения, и с моментальным набором скорости, что делает нагрузочную характеристику двигателя жесткой.

Фазные обмотки на роторе устраивают для ликвидации всплеска пускового тока, что необходимо для защиты сети от перегрузки. Их три, они соединяются звездой, а свободные концы выводят на коллектор, состоящий из трех медных колец, разделенных диэлектриком и посаженных на хвостовик вала двигателя. Перед включением ротор шунтируют большим сопротивлением (реостатом), который гасит ток.

Передвигая ползунок реостата, допускают плавное возникновение тока в роторе и раскрутку вала двигателя. Асинхронность таких машин выше, поэтому у них ниже КПД. Зато появляется возможность плавной регулировки частоты вращения. Асинхронный двигатель с фазным ротором встречается очень редко из-за сложной конструкции, которая абсолютно идентична той, что имеет генератор переменного тока. Единственное его отличие – на коллекторные кольца подается постоянное напряжение, поэтому какую-то пару щеток можно замкнуть между собой.

Конструкция статора

Она двухслойная. Наружную «рубашку», которая обеспечивает механическую прочность конструкции, ранее отливали из чугуна. Сейчас все чаще используют легкие сплавы. Для эффективного отвода тепла на ней делают ребра жесткости. Внутри находится слой, набранный из листов легированной стали, которые изолированы друг от друга диэлектрическим лаком. На его внутренней поверхности устроены пазы. В них укладываются обмотки – медный проводник из нескольких витков, которые изолированы друг от друга во избежание пробоя, приводящего к снижению силы магнитного поля и аварии машины. Зазор между статором и ротором очень мал, поэтому витки скрыты в толще металла, чтобы не мешать вращению.

Однофазные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель отличается лишь количеством статорных обмоток, которых две. Они всегда включены параллельно и расположены перпендикулярно друг другу. Для обеспечения начального фазного сдвига в цепь одной из них включена активная нагрузка. Обычно бумажный конденсатор большой емкости. После набора оборотов одна из обмоток отключается. Так делается в двигателях мощностью свыше пятидесяти ватт. У маломощных машин вторая обмотка выполняется короткозамкнутой. Фазу сдвигает индуцированный противоток.

Управление скоростью вращения

Явным недостатком асинхронных двигателей является сложность управления ими. Для изменения скорости вращения используются два метода:

1. Частотное преобразование питающего напряжения. Практически никогда не применяется, поскольку по законам электротехники любая индуктивность (обмотка, соленоид, трансформатор) спокойно переносит только повышение частоты. При ее понижении она начинает работать в режиме нагревателя.

1. Варианты с числом, способом укладки и размещением в пазах обмоток статора. Метод основан на том, что три фазных обмотки – это один условный двухполюсной вращающийся магнит, совершающий полный оборот за период, равный частоте сети. То есть, при самой простой конструкции статорной обмотки частота вращения будет равна 3 тыс. оборотов в минуту.

Если на статоре разместить шесть обмоток, сгруппировать их по три и подключить последовательно, то получим не два, а четыре полюса. Из-за этого частота вращения снизится в два раза – до 1500 оборотов в минуту.

При устройстве девяти обмоток, подключенных по тому же принципу, скорость снизится еще в два раза, до 750 оборотов в минуту, ведь полюсов станет шесть. Дальнейшее снижение скорости не производится, поскольку связано с большими техническими трудностями.

Нередко технология производства требует, чтобы привод мог вращаться с двумя или тремя скоростями. Эта проблема решается двумя путями:

1. Подключением дополнительных независимых обмоток. Вместе с изменением скорости меняется и крутящий момент электродвигателя, поскольку индуктивность всякий раз разная.

1. Устройством дополнительных выводов из одной обмотки. Так называемый метод Даландера. Имеет преимущество в том, что крутящий момент сохраняется неизменным.

Двухскоростной асинхронный электродвигатель имеет статорную обмотку, каждая из катушек поделена которой на две дополнительными выводами. Для наглядности обозначим 2U, 2V и 2W. В режиме тихого хода (1500 оборотов) обмотки соединены треугольником, питающее напряжение подается на выводы 1U, 1V и 1W, а 2U, 2V и 2W остаются свободными. Если требуется набрать 3 тыс. оборотов, то производится коммутация:

• питание подается на 2U, 2V и 2W;
• выводы 1U, 1V и 1W соединяются между собой.

В результате схема подключения обмоток меняется с «треугольника», в каждой стороне которого две последовательных катушки, на «звезду», в каждом луче которой две параллельных катушки. Число полюсов сократилось вдвое, а суммарная индуктивность осталась той же.

Существуют и трехскоростные электродвигатели, обмотки которых имеют по три вывода, поскольку должно получиться девять обмоток.

Обычно для управления многоскоростными асинхронными двигателями устраивают силовую релейную схему. Это позволяет изменять скорость вращения за несколько секунд.

Значимость изобретения в конце XIX века трехфазного асинхронного двигателя вполне можно сравнить с появлением компьютера и даже с полетом в космос. До сих пор человечество не сумело создать ничего более эффективного, ведь КПД этого устройства близко к ста процентам.

electriktop.ru

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.

Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:

Схема пуска асинхронного двигателя.

Расчёт тока электродвигателя.

Реверсивное управление асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором.

Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.

В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.

Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.

Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.

А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.

Обозначается это скольжение буквой: S

А вычисляется скольжение по такой формуле: S = ( n1 — n2 )/ n1 — 100%

Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;

n2 – это частота вращения вала.

Устройство асинхронного электродвигателя.

Двигатель состоит из таких частей:

1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.

2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.

3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.

4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.

5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.

6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.

7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.

Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.

Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.

Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.

Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.

Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».

Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.

Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.

Принцип действия.

Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.

И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.

По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.

Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.

Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.

2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.

3. Очень простая схема запуска.

4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.

5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.

6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.

7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.

8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.

Недостатки:

1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.

2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.

3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.

4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ

5. Высокие показатели пусковых токов.

Достоинства двигателей с фазным ротором:

1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.

2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.

3. Небольшой пусковой ток.

4. Можно применять автоматические пусковые устройства.

Недостатки:

1. Большие габариты.

2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение

3. Нужно обслуживать щёточный механизм.

На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.

С уважением Александр!

Читайте также статьи:

fazanet.ru

что это такое, принцип действия, устройство, технические характеристики, фото и видео

То, что асинхронные двигатели сегодня используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, необходимо поклониться русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Именно он в 1889 году (а точнее 8 марта) изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который преобразовывает электроэнергию в энергию механическую (вращения). Это, по сути, стало прорывом в технике и началом новой эры.

Самое главное, что электрические моторы данного типа оказались очень надежными, их производство достаточно простое, что влияет на небольшую себестоимость изделия. Плюс несложная конструкция, которая легко поддается не только производству, но и ремонту. Если обратиться к статистическим данным, то по ним можно сделать вывод, что асинхронные двигатели являются самыми производимыми в мире. На их счет приходится до 90% выпуска. Так что цифры говорят сами за себя.

Но почему эти приборы названы асинхронными? Все дело в том, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше вращения ротора. Кстати, у электродвигателей этого типа принцип работы основан именно на вращении магнитного поля.

Принцип работы двигателя

Чтобы понять, как работают электродвигатели асинхронные трехфазные, необходимо провести один несложный эксперимент. Для этого вам понадобиться обычный магнит подковообразного типа и медный стержень. При этом магнит надо хорошо закрепить к рукоятке, с помощью которой его можно крутить на одном месте вокруг своей оси. Медный стержень закрепляется в подшипниках и устанавливается в пространство между концами (полюсами) магнита-подковы. То есть, стержень оказывается как бы внутри магнита, а, точнее сказать, внутри его плоскости вращении.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Теперь надо просто вращать магнитное устройство за ручку. Лучше по часовой стрелке. Так как между полюсами есть магнитное поле, то оно также будет вращаться. При этом поле будет пересекать или рассекать своими силовыми линиями медный стержень-цилиндр. И тут включается закон электромагнитной индукции. То есть, внутри медного стержня начнут возникать вихревые токи. Они, в свою очередь, начнут образовывать свое собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с основным магнитным полем.

При этом стержень начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. И вот тут возникает один момент, который также лежит в принципе работы электродвигателя. О нем было уже упомянуто. Если скорость вращения стержня будет такое же, как у магнита, то их силовые линии пересекаться не будут. То есть, вращения не будет в виду отсутствия вихревых токов.

И еще пару нюансов:

• Магнитное поле вращается с той же скоростью, что и сам магнит, поэтому скорость называют синхронной.
• А вот стержень вращается с меньшей скоростью, поэтому ее и называют асинхронной. Отсюда, в принципе, название и самого электрического мотора.

Внимание! Разница скоростей вращения магнитных полей не очень большая. Эту величину называют скольжением.

Кстати, определить величину скольжения несложно, для этого необходимо воспользоваться формулой:

S=n-n1/n, где

• S – это величина скольжения;
• n – скорость вращения магнита;
• n1 – скорость вращения ротора.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.

Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

• Итак, позиция «А». В ней на первом полюсе фаза равна нулю, второй полюс является северным, то есть, отрицательным, в третьей фазе положительный заряд. Поэтому ток движется по стрелкам, указанным на рисунке. Тот, кто забыл школьную программу физики, напоминаем, что движение магнитного поля действует по правилу правой руки. Значит, вращение его будет направлено от севера к югу, то есть, от второй катушки (обмотки) к третьей.
• Позиция «Б». Теперь ноль расположен на второй обмотке, на первой юг (плюс), на третьей север (минус). То есть, магнитный поток будет теперь направлен от катушки №3 на катушку №1. Получается так, что полюсы сместились на 120º.
• В позициях «В» и «Г» произошли точно такие же сдвиги полюсов на 120º.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% – значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети

• Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
• Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
• В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
• В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

1. С фазным ротором.
2. Короткозамкнутым.

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.

Технические характеристики

На что обычно надо обратить внимание, выбирая электродвигатели? Технических характеристик, в принципе, немного. Это мощность, измеряемая в кВт, скорость вращения ротора в об/мин. Все остальные технические характеристики не столь важны именно для выбора. Хотя, к примеру, масса изделия может помочь рассчитать нагрузку на подставку или монтажную раму.

Заключение по теме

Итак, были рассмотрены асинхронные электродвигатели – электрическое оборудование, которое нередко используется в частных домах для бытовых нужд. Устройство и принцип работы мотора вам теперь понятно, а вот как правильно подключить двигатель к однофазной сети, читайте в другой статье.

onlineelektrik.ru

Асинхронный двигатель. Устройство и принцип работы

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня вы узнаете, что такое асинхронный двигатель, рассмотрим его основные характеристики, а так же поговорим о плюсах и минусах.

Принцип работы любого асинхронного двигателя основан на физическом взаимодействии магнитного поля, возникающего в статоре, с током, который это же поле наводит в обмотке ротора. Электрическое напряжение прикладывается к обмотке статора, которая выполнена как три группы катушек. Под действием напряжения в обмотке возникает переменный трехфазный ток, который и наводит вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутой обмотки ротора, это поле, в соответствии с законом об электромагнитной индукции, создает в ней ток.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля (статор) и тока (ротор) создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит ротор в движение. Благодаря совокупности моментов, создаваемых отдельными проводниками, возникает результирующий момент, электромагнитная пара сил, заставляющая вращаться ротор в направлении, в котором движется электромагнитное поле в статоре. Ротор и магнитное поле при этом вращаются с различными скоростями, т.е. асинхронно (отсюда и основное название двигателей). У асинхронных двигателей скорость, с которой будет вращаться ротор, всегда будет меньше скорости, с которой вращается магнитное поле в статоре.

   Рис. 1. Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель с фазным ротором необходим в приводах, которые сразу требуют большого пускового момента – лифты, краны, мельницы и т.д. В таких механизмах необходимее уже при запуске двигателя получить максимальный момент, но при этом ограничив значение пускового тока.

Основные элементы асинхронного двигателя – ротор и статор, разделяемые воздушным зазором. Активные части двигателя – магнитопровод и обмотки, остальные составляющие – конструктивные, призванные обеспечить необходимую жесткость, прочность, возможность вращения и его стабильность, охлаждение и т.д.

Cтатор – неподвижная часть, на внутренней стороне сердечника которого размещаются обмотки. Обмотка статора — это трехфазная (для общего случая — многофазная) обмотка, в которой проводники равномерно распределяются по окружности статора и уложены пофазно в пазах, соблюдая угловое расстояние равное 120 эл.град. Статорные фазы обмотки соединены стандартно – «звезда» или «треугольник» — и подключены к трехфазной сети электротока. В процессе вращения (изменения) магнитного потока в обмотках возбуждения, происходит перемагничивание магнитопровода статора, поэтому он изготовлен шихтованным (набирается из пластин) из особой электротехнической стали – таким способом удается минимизировать магнитные потери.

 

Асинхронные двигатели, особенности пуска

Асинхронные двигатели сегодня – это доля в 80% от всего количества разнообразных электродвигателей, выпускаемых мировой промышленностью. Все это – благодаря простоте конструкции, в эксплуатации и обслуживании, низкой себестоимости и высокой надежности. Но есть один существенный недостаток – из сети асинхронные двигатели потребляют реактивную составляющую мощности. Поэтому их предельная мощность напрямую зависит от мощности системы энергоснабжения. Кроме того, такой электропривод имеет значения пускового тока, которые в трое больше рабочих. При малой мощности системы энергоснабжения, это может вызвать значительное падение напряжение в сети и отключение других приборов. Асинхронные двигатели с фазным ротором, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов, могут запускаться с небольшим пусковым током.

Резисторы, стоящие в цепи ротора, помогают ограничить ток не только в течении запуска, но так же и при торможении, реверсе и при снижении скорости. По мере того, как двигатель набирает скорость – разгоняется, чтобы поддерживать необходимое ускорение, резисторы выводятся. При окончании разгона и выхода на паспортную частоту, все резисторы шунтируются, двигатель переходит на работу со своей естественной механической характеристикой.

Рассмотрим пример запуска асинхронного двигателя с фазным ротором.

   Рис. 3. Асинхронный двигатель с фазным ротором, схема запуска

Используя схему асинхронного двигателя (рис) рассмотрим запуск в две ступени который проводится с использованием релейно-контакторной аппаратуры. Одновременно напряжение подается как на силовые цепи, так и на управляющие – замыкается выключатель QF.

При подаче напряжения реле времени (обозначены КТ1 и КТ2) в цепи управления срабатывают, размыкая свои контакты. После нажатия кнопки запуска (SB1) срабатывает контактор КМ3 и запускается двигатель с резисторами, которые введены в цепь ротора – в этот момент на контакторах КМ1 и КМ2 питания нет. При подключении контактора КМЗ, из-за потери питания, в цепи контактора КМ1 реле КТ1 замыкает контакт через интервал времени, заданный задержкой времени в реле КТ1. По истечению времени (двигатель разгоняется, ток ротора начинает падать) происходит включение контактора КМ1 – происходит шунтирование первой пусковой ступени резисторов. Ток снова возрастает , но по мере разгона его значение начинает уменьшаться. Одновременно с этим в цепи происходит размыкание реле КТ2, оно теряет питание и с выставленной выдержкой происходит замыкание контакта в цепи контактора КМ2. Происходит шунтирование второй ступени резисторов, включенных в цепь ротора. Двигатель работает в штатном режиме.

Благодаря ограничению пускового тока, асинхронный двигатель с фазовым ротором можно устанавливать в слабых сетях.

Порядок подключения асинхронного двигателя приведен на видео:

 

Асинхронные двигатели, плюсы и минусы

Как уже указывалось выше, если сравнивать его с двигателем с короткозамкнутым ротором, имеет два основных преимущества:

• возможность запуска двигателя с уже подключенной к валу значительной нагрузкой – двигатель с самого начала создает большой вращающий момент
• ограничение по току включения позволяет устанавливать асинхронные двигатели с фазовым ротором в маломощных сетях

Кроме того, следует отметить и другие достоинства:

• возможность работы с большой перегрузкой
• малые колебания скорости вращения – при разных нагрузках скорость вращения остается приблизительно одинаковой
• возможность установки автоматики – пусковых приспособлений

Отметим и недостатки:

• введение резисторов в цепь ротора усложняет и удорожает двигатель
• большие габариты
• меньший, чем у короткозамкнутых двигателей, показатель КПД и cos φ
• при недогрузках значение cos φ имеет минимальные значения

На практике асинхронный двигатель с фазным ротором оптимально подходят для случаев, когда нет необходимости в широкой и плавной регулировке скорости и требуется очень большая (особенно на первоначальном этапе) мощность двигателя. Для правильного подключения асинхронного двигателя важно правильно определить начала и концы фазных обмоток. Как это сделать – подробно рассмотрено на видео:

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

powercoup.by

Векторное управление для асинхронного электродвигателя «на пальцах»

В предыдущей статье «Векторное управление электродвигателем «на пальцах» рассматривалась векторная система управления для синхронных электродвигателей. Статья получилась большой, поэтому вопрос про асинхронные электродвигатели (induction motors) был вынесен в отдельную публикацию. Данная статья является продолжением предыдущей и опирается на приведенные там объяснения принципов работы электродвигателей. Она расскажет об особенностях работы асинхронного двигателя применительно к векторному управлению, а также покажет отличия в структуре векторной системы управления между синхронной и асинхронной машиной.
Как работает асинхронный электродвигатель? Наиболее популярное объяснение говорит что-то типа «статор создает вращающееся магнитное поле, которое наводит ЭДС в роторе, из-за чего там начинают течь токи, в результате ротор увлекается полем статора и начинает вращаться». Лично я от такого объяснения всю физику процесса понимать не начинаю, поэтому давайте объясню по-другому, «на пальцах».

Все же видели видео, как магнит взаимодействует с медным цилиндром? Особенно обратите внимание на диапазон времени с 0:49 до 1:03 – это уже самый настоящий асинхронный двигатель:

Эффект происходит из-за появления в цилиндре вихревых токов. Согласно закону электромагнитной индукции, открытого Майклом Фарадеем, при изменении магнитного потока замкнутого контура в нем возникает ЭДС (по-простому считайте, что напряжение). Эта ЭДС, применительно к медному цилиндру, тут же вызывает появление в цилиндре тока. При этом этот ток тоже создает свой, ответный магнитный поток, направленный ровно в противоположную сторону от изменения потока магнита, который мы подносим:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Это можно понимать так, что замкнутый контур сопротивляется изменению магнитного потока внутри себя. Если вы резко поднесёте магнит к медному цилиндру, т.е. сделаете резкое изменение магнитного потока, то в цилиндре потекут такие ответные токи, что магнитное поле внутри цилиндра в первый момент времени будет равно нулю: магнитное поле поднесенного магнита будет полностью скомпенсировано магнитным полем токов цилиндра (с допущениями, конечно). Если магнит поднести и держать, то токи в цилиндре из-за наличия активного сопротивления меди постепенно спадут, а поле цилиндра, создаваемое его токами, пропадет: магнитный поток постоянного магнита «прорвется» внутрь цилиндра, как будто никакого цилиндра и нет. Но стоит попытаться убрать магнит, как цилиндр отреагирует снова – теперь он будет пытаться сам «воссоздать» внутри себя пропадающий магнитный поток, т.е. будет опять сопротивляться изменению магнитного потока, в данном случае его исчезновению. Но что значит «воссоздать магнитный поток»? Это значит, что на какое-то время медный цилиндр можно считать условно «постоянным магнитом» – в нем циркулирует вихревой ток, создающий магнитное поле (на этом же принципе «висят» сверхпроводники в магнитном поле, но это совсем другая история).

Давайте теперь обратимся к конструкции асинхронного двигателя. Ротор асинхронного двигателя условно можно представлять себе также в виде медного цилиндра. Но в реальных конструкциях это некая решётка в виде «беличьей клетки» (рисунок 1) из меди или алюминия, совмещенная с магнитопроводом (шихтованное железо).

Рисунок 1. Ротор асинхронного двигателя типа «беличья клетка» с током в одной из «рамок» беличьей клетки, реагирующей на нарастание внешнего магнитного поля.

На рисунке схематично показано протекание тока в одной из «рамок», т.е. в некоторых прутьях беличьей клетки, если сверху поднести магнит (создать ток в статоре). На самом деле ток в этом случае протекает во всех прутьях, кроме, условно, верхнего и нижнего, для которых изменения потока нет (но они бы среагировали на горизонтально поднесенный магнит).

Помните ещё из начала прошлой статьи картинку со схематическим изображением двухфазной синхронной машины, где ротором был магнит? Давайте теперь сделаем из неё асинхронный двигатель: вместо магнита поставим две перпендикулярные короткозамкнутые катушки, символизирующие медный цилиндр ротора (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическое изображение двухфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Замена цилиндра на две катушки для пояснения принципа работы (или моделирования) корректна, точно также как корректна замена трехфазной обмотки на двухфазную. Только в этом случае мы заменяем… «бесконечнофазную обмотку» цилиндра (бесконечное число рамок) на две катушки с эквивалентной индуктивностью и сопротивлением. Ведь двумя катушками можно создать точно такой же вектор тока и магнитного потока, как и цилиндром.

А теперь давайте сделаем на короткое время из асинхронной машины синхронную. Подадим в катушку оси β постоянный ток и подождем секунды две-три, пока в роторе перестанут течь ответные токи: «поднесем внешний магнит». То есть дождемся спадания токов в роторе, чтобы магнитное поле статора «пронзило ротор» и никто ему не мешал. Что теперь будет, если выключить ток в статоре? Правильно, на те же две-три секунды, пока ток ротора этому противится, мы из ротора получим «обычный магнит» (рисунок 3).

Рисунок 3. Асинхронный двигатель, когда только что выключили постоянный ток по фазе β – течет ток в роторе i_rd.

Что же мы ждем? Быстрее, пока магнит не пропал, рисуем вдоль него привычную ось d (как в синхронной машине) и перпендикулярную ей ось q, привязанные к ротору. Включаем структуру векторного управления синхронной машиной, подаем ток по оси q, создавая момент, поехали!

Так можно даже действительно сделать несколько оборотов, пока наш сахарный магнит не растаял, а ось d не ушла в небытие. Что же делать? Давайте не будем выключать ток по оси d, подпитывая наш магнит! И опять же сохраним структуру векторного управления синхронной машиной, просто подав задание по оси d (раньше там был ноль). Итак, смотрим на рисунок 4: оси d, q по датчику положения «приделаны» к ротору, двигатель стоит, подан ток по оси d в статоре, что в данном случае для стоячей машины совпадает с осью β. Тока по оси q пока нет: ждем, пока ротор «намагнитится». И вот подаем ток i_sq (s – статор)! Поехали!

Рисунок 4. Подадим ток в ось d, намагнитив машину, подготовив всё для подачи тока в ось q статора.

Далеко ли мы уедем таким методом барона Мюнхгаузена? К сожалению, нет. Смотрите, что произошло (рисунок 5):

Рисунок 5. А магнит-то сполз!

Двигатель начал крутиться, но через некоторое время после того, как мы подали ток в ось q, образовав суммарный ток i_s и «прибив» этот вектор к положению ротора, магнит в роторе «съехал»! И встал ровно вдоль вектора i_s. Ротор же не понимает, где мы нарисовали ему оси d, q… Ему все равно, крутился он или нет. Важно, что его внутренний «наведенный магнит» в конечном счете хочет стать сонаправленным с магнитным потоком статора, «подчиниться» внешнему потоку. Из-за съехавшего магнита двигатель перестанет крутиться: мало того, что между магнитом ротора и током i_q нет желаемых 90 градусов, так еще и ток оси d теперь его тянет в противоположную сторону, компенсируя момент, создаваемый током i_q. Метод барона Мюнхгаузена не удался.

Что же делать с ускользающим магнитом ротора? А давайте сделаем структуру векторного управления асинхронного двигателя не в осях d,q, приделанных к ротору, а в других осях, приделанных именно к текущему положению «магнита ротора» – назовем их оси x,y, чтобы отличать от d,q. По «научному» – это оси, ориентированные по потокосцеплению ротора. Но как же узнать, где конкретно сейчас это потокосцепление ротора, т.е. куда повернут магнит в роторе? Его положение зависит… во-первых, от положения самого ротора (датчик положения у нас есть, хорошо), во-вторых, от токов статора (создающих поток статора, по которому и собирается в конечном счете повернуться магнит ротора), а в-третьих от параметров роторной цепи – индуктивности и сопротивления «медного цилиндра» (он же беличья клетка, он же роторная обмотка, он же цепь ротора). Поэтому… зная всё это, положение «магнита» ротора можно просто вычислять по нескольким дифференциальным уравнениям. Делает это так называемый наблюдатель потокосцепления ротора, выделенный цветом на итоговой структурной схеме векторного управления асинхронным двигателем (рисунок 6).

Рисунок 6. Векторная датчиковая структура управления асинхронным двигателем

В наблюдатель заводятся показания с датчика положения ротора, а также текущие токи статора в осях α, β. На выходе наблюдателя – положение «магнита» ротора, а именно угол наблюдаемого потокосцепления ротора . В остальном структура полностью аналогична таковой для синхронной машины, только оси d,q переименованы в x,y, а на ось x подано задание тока, который будет поддерживать наш «магнит» в роторе. Также на многих обозначениях добавлен индекс “s”, чтобы показать, что данная величина имеет отношение к статору, а не к ротору. Также надо отметить, что в западной литературе не используют оси x,y: у них ось d всегда направлена по полю ротора, что для асинхронного двигателя, что для синхронного. Наши ученые еще в советское время разделили оси d,q и x,y, чтобы исключить путаницу: d,q прикреплены к ротору, а x,y к полю ротора.

Что же получается? Магнит ротора всё время скользит, сползает от текущего положения на роторе в сторону тока оси y. Чем больше этот ток, тем сильнее скольжение. Наблюдатель в реальном времени вычисляет положение этого магнита и «подкручивает» оси x,y всё время вперед по отношению к осям d,q (положению ротора). Ось x всегда соответствует текущему положению потокосцепления в роторе – положению «магнита». Т.е. оси x,y бегут всегда (в двигательном режиме) немного быстрее вращения ротора, компенсируя скольжение в нем. Токи в роторе, если их измерить или промоделировать, получаются синусоидальными. Только изменяются они не с частотой статорных токов, а с частотой этого скольжения, т.е. очень медленно. Если в статоре промышленного асинхронника 50Гц, то при работе под нагрузкой частота тока в роторе – единицы герц. Вот, собственно, и весь секрет векторного управления для асинхронного двигателя.

Чем векторное управление асинхронным двигателем лучше, чем скалярное? Скалярное управление это такое, когда к двигателю прикладывается напряжение заданной частоты и амплитуды – например, 380В 50Гц. И от нагрузки на роторе оно не зависит – никаких регуляторов токов, векторов… Просто задается частота напряжения и его амплитуда – скалярные величины, а токи и потоки в двигателе пусть сами себе удобное место находят, как хотят. В установившемся режиме работы двигателя векторное управление неотличимо от скалярного – векторное точно также будет прикладывать при номинальной нагрузке те же, скажем, 380В, 50Гц. Но в переходных режимах… если нужно быстро запустить двигатель с заданным моментом, если нужно отрабатывать диаграмму движения, если есть импульсная нагрузка, если нужно сделать генераторный режим с определенным уровнем мощности – всё это скалярное управление или не может сделать, или делает это с отвратительными, медленными переходными процессами, которые могут к тому же «выбить защиту» преобразователя частоты по превышению тока или напряжения звена постоянного тока (двигатель колеблется и может запрыгивать в генераторный режим, к которому преобразователь частоты не всегда приспособлен).

В векторной же структуре «всё под контролем». Момент вы задаете сами, поток тоже. Можно ограничить их на нужном уровне, чтобы не превысить уставок защиты. Можно контролируемо форсировать токи, если кратковременно нужно сделать в несколько раз больший момент. Можно регулировать не только момент двигателя, но и поток (ток оси x): если нагрузка на двигателе мала, то нет никакого смысла держать полный поток в роторе (делать магнит «номинального режима») – можно ослабить его, уменьшив потери. Можно стабилизировать скорость регулятором скорости с высокой точностью и быстродействием. Можно использовать асинхронный привод в качестве тягового (в транспорте), задавая требуемый момент тяги. В общем, для сложных применений с динамичной работой двигателя векторное управление асинхронным двигателем незаменимо.

Также есть отличительные особенности векторного управления асинхронного двигателя от синхронного. Первая – это датчик положения. Если для синхронного привода нам нужно знать абсолютное положение ротора, чтобы понять, где магнит, то в асинхронном приводе этого не требуется. Ротор не имеет какой-то выраженной полюсной структуры, «магнит» в нем постоянно скользит, а если посмотреть в формулы наблюдателя потокосцепления ротора, то там не требуется знания положения: в формулы входит только частота вращения ротора (на самом деле есть разные формулы, но в общем случае так). Поэтому на датчике можно сэкономить: достаточно обычного инкрементального энкодера для отслеживания частоты вращения (или даже тахогенератора), абсолютные датчики положения не требуются. Вторая особенность – управление потоком в асинхронном электродвигателе. В синхронной машине с постоянными магнитами поток не регулируется, что ограничивает максимальную частоту вращения двигателя: перестает хватать напряжения на инверторе. В асинхронном двигателе, когда это случается… просто уменьшаете задание по оси x и едете дальше! Максимальная частота не ограничена! Да, от этого будет снижаться момент двигателя, но, главное, ехать «вверх» можно, в отличие от синхронной машины (по-правде там тоже можно, но недалеко, не для всех двигателей и с кучей проблем).

Точно также существуют бездатчиковые алгоритмы векторного управления асинхронным двигателем, которые оценивают угол потокосцепления ротора не используя сигнал датчика положения (или скорости) вала ротора. Точно также, как и для синхронных машин, в работе таких систем есть проблемы на низкой частоте вращения ротора, где ЭДС двигателя мала.

Также следует сказать пару слов о роторе. Если для промышленных асинхронных двигателей его удешевляют, используя алюминиевую беличью клетку, то в тяге, где массогабаритные показатели важнее, наоборот, могут использовать медный цилиндр. Так, во всеми любимом электромобиле Tesla стоит именно асинхронный электродвигатель с медным ротором (рисунок 7)

Рисунок 7. Ротор асинхронного электродвигателя Tesla Model S в стальной обшивке (фото из разных источников за разные годы)

Вот, собственно, и всё, что я хотел сказать про асинхронный двигатель. В данной обзорной статье не рассмотрены многие тонкости, такие как регулятор потока ротора, возможное построение векторной структуры в других осях координат, математика наблюдателя потокосцепления ротора и многое другое. Как и в конце прошлой статьи, за дальнейшими подробностями отсылаю читателя к современным книгам по приводу, например к «Анучин А. С. Системы управления электроприводов. МЭИ, 2015».

На каком микроконтроллере можно сделать полноценное векторное управление, читайте, например, в статье «Новый отечественный motor-control микроконтроллер К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ», а как это отлаживать в статье «Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе». Также наша фирма ООО «НПФ Вектор» предлагает разработку на заказ систем управления электродвигателями и другим электрооборудованием, примеры выполненных проектов можно посмотреть на нашем сайте.

P.S.
У специалистов прошу прощения за не совсем корректное обращение с некоторыми терминами, в частности с терминами «поток», «потокосцепление», «магнитное поле» и другими – простота требует жертв…

habr.com

принцип, теория работы и применение

Мы узнали о различных типах электродвигателей в нашей предыдущей статье. Теперь мы начнем узнавать об этих моторах индивидуально. В этой статье мы рассмотрим теорию работы синхронного двигателя и его строение, а так же подскажем где вы можете купить.

Принцип синхронного двигателя

Основной принцип такой же, как и для всех двигателей. Это взаимная индукция между обмоткой статора и ротора, которая делает любой двигатель работоспособным. Кроме того, когда 3-фазная обмотка питается от 3-фазного источника питания, то создается магнитный поток постоянной величины, но вращающийся с синхронной скоростью.

Чтобы легко понять работу синхронного двигателя, давайте рассмотрим только два полюса в статоре и роторе. Как показано на рисунке, статор имеет два полюса Ns и S. Эти полюса, находясь под напряжением, создают вращающееся магнитное поле. Они вращаются с синхронной скоростью и позволяют считать направление вращения по часовой стрелке. Если полюса ротора находятся в положении, показанном на рисунке, то полюса отталкиваются друг от друга. Итак, северный полюс в статоре отталкивает северный полюс ротора. Также южный полюс статора отталкивает юг ротора. Это заставляет ротор вращаться в направлении против часовой стрелки. Таким образом, через полпериода полюса статора меняются местами, что приводит их в положение противоположенных полюсов, которые притягивают друг друга . Т.е. южный полюс статора и северный полюс ротора притягиваются и магнитно сцепляются.

В этом положении полюсы Ns притягивают S, а полюсы Ss притягивают N. Эти противоположные полюса ротора и статора начинают вращаться в том же направлении, что и полюса статора. Это заставляет ротор вращаться в одном направлении и с синхронной скоростью, которая равна скорости вращения полюсов статора. Таким образом, поскольку положение полюсов статора продолжает изменяться с быстрой скоростью и реверсированием, полюса ротора также вращаются и поворачиваются так же, как и статор, таким образом вызывая вращение ротора с постоянной, синхронной скоростью и в том же направлении. Приобрести синхронный двигатель можно, перейдя по ссылке ниже:

Теория работы

Когда на двигатель подается питание переменного тока, полюса статора находятся под напряжением. Это, в свою очередь, притягивает полюса ротора, таким образом, полюса статора и ротора магнитно блокируются. Именно эта блокировка заставляет ротор вращаться с одинаковой синхронной скоростью с полюсами статора. Синхронная скорость вращения задается выражением Ns = 120f / P.

Когда нагрузка на двигатель постепенно увеличивается, ротор, несмотря на то, что он вращается с одинаковой скоростью, имеет тенденцию постепенно снижаться по фазе на некоторый угол, «β», называемый Угол нагрузки или Угол сцепления. Этот угол нагрузки зависит от величины нагрузки, на которую рассчитан двигатель. Другими словами, мы можем интерпретировать, как развиваемый двигателем крутящий момент зависит от угла нагрузки «β».

Электрическую работу синхронного двигателя можно сравнить с передачей мощности механическим валом. На рисунке показаны два шкива, «A» и «B». Предполагается, что шкив «A» и шкив «B» установлены на одном валу. «А» передает мощность от привода через вал, в свою очередь заставляя «В» вращаться, передавая мощность нагрузке.

Два шкива, которые прикреплены к одному валу, можно сравнить с блокировкой между полюсами статора и ротора.

Если нагрузка увеличивается, шкив «B» передает увеличение нагрузки на вал, что проявляется в скручивании вала.

Таким образом, поворот вала можно сравнить с ротором, падающим по фазе со статором.

Угол кручения можно сравнить с углом нагрузки «β». Также, когда нагрузка увеличивается, сила скручивания и угол закручивания увеличиваются. Таким образом, угол нагрузки «β» также увеличивается.

Если нагрузка на шкив «B» увеличивается до такой степени, что он заставляет вал крутиться и ломаться, то передача мощности через вал прекращается, когда вал ломается. Это можно сравнить с ротором, выходящим из синхронизма с полюсами статора.

Таким образом, синхронные двигатели могут работать либо с синхронной скоростью, либо они останавливаются.

Процедура запуска двигателя

Все синхронные двигатели оснащены «обмоткой короткозамкнутого ротора», состоящей из медных прутков, закороченных на обоих концах. Эти обмотки также служат для самостоятельного запуска синхронного двигателя. Во время запуска он легко запускается и действует как асинхронный двигатель. Для запуска синхронного двигателя сетевое напряжение подается на клеммы статора, а ротор остается не возбужденным. Он запускается как асинхронный двигатель, и когда он достигает скорости около 95% от своей синхронной скорости, на ротор подается слабое постоянное возбуждение. В результате чего ротор выравнивается синхронно со статором. В этот момент статор и полюса ротора сцепляются друг с другом и приводят двигатель в синхронность.

Фазовые колебания

Раскачка фазы синхронного двигателя вызваны:

1. Различными нагрузками
2. Пульсирующими частотами питания.

Когда синхронный двигатель нагружен (например, компрессоры, насосы и т.д.). Когда нагрузка увеличивается, его ротор возвращается назад на угол соединения «β». При дальнейшем увеличении нагрузки этот угол «β» дополнительно увеличивается, чтобы справиться с возросшей нагрузкой. В этой ситуации, если нагрузка внезапно уменьшается, ротор перегружается, а затем оттягивается, чтобы приспособить новую нагрузку к двигателю. Таким образом, ротор начинает колебаться, как маятник, в своем новом положении, соответствующем его новой нагрузке, пытаясь восстановить равновесие. Если период времени этих колебаний совпадает с собственной частотой станка, то устанавливается резонанс, что может вывести машину из синхронизма. Для демпфирования таких колебаний используются «демпфирующие решетки», известные как «обмотки короткозамкнутых клеток».

Применение синхронных двигателей:

• Эти двигатели используются как первичные двигатели (приводы) для центробежных насосов, поршневых компрессоров с ременным приводом, воздуходувок, бумажных фабрик, резиновых фабрик и т.д. Из-за их высокой эффективности и высоких скоростей (об / мин выше 600).
• Низкоскоростные синхронные двигатели (об / мин ниже 600) широко используются для привода многих поршневых насосов. Таких как винтовые и шестеренные насосы, вакуумные насосы, дробилки, машины для прокатки алюминиевой фольги.
• Эти моторы также широко используются на борту судов. Навигационное оборудование корабля, такое как гирокомпас, использует специальный тип синхронного двигателя. Они также используются в качестве первичных двигателей для Viscometer. Это устройства для измерения / регулирования вязкости мазута главного двигателя.
• Большинство фабрик и производств используют бесконечное количество индуктивных нагрузок. Они могут варьироваться от ламповых ламп до мощных асинхронных двигателей. Таким образом, эти индуктивные нагрузки имеют значительный коэффициент мощности отставания. Синхронный двигатель с избыточным возбуждением (синхронный конденсатор), имеющий ведущий коэффициент мощности, используется для улучшения коэффициента мощности этих систем питания.
• Эти двигатели также используются для регулирования напряжения, когда происходит сильное падение / повышение напряжения. Так же когда тяжелая индуктивная нагрузка включается / выключается в конце длинных линий электропередачи.
• Синхронные двигатели могут работать на сверхнизких скоростях с помощью мощных электронных преобразователей, которые генерируют очень низкие частоты. Примерами этих двигателей являются диапазоны мощностью 10 МВт, используемые для привода дробилок, вращающихся печей и шаровых мельниц с регулируемой скоростью.

meanders.ru