Асинхронная машина

Разновидности движков

Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана

• с мощностью, которую надо создать на его вале,
• необходимой для этого величиной магнитного потока,
• параметрами напряжения питания статора.

Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.

Три разновидности конструкции ротора реактивного двигателя

Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.

С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.

Классический движок с индуктором

Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.

Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть. Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения

Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами

Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.

Движки-компенсаторы на подстанции

Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.

По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск.

Именно поэтому его используют крайне редко. В

едь конструкция усложняется за счет системы запуска.

На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним.

Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты.

Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.

После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.

Параметры асинхронного двигателя

При подборе таких машин, а также при дальнейшей их эксплуатации необходимо учитывать характеристики асинхронного двигателя. Они бывают энергетические — это коэффициент полезного действия, коэффициент мощности

Важно учитывать и механические показатели. Основным из них считается зависимость между скоростью вращения вала и рабочим усилием, прикладываемым к нему

Существуют ещё пусковые характеристики. Они определяют пусковой, минимальный и максимальный моменты и их соотношение. Важно также знать, каков пусковой ток асинхронного двигателя. Для наиболее эффективного использования двигателя необходимо учитывать все эти параметры.

Нельзя оставить без внимания вопрос энергосбережения. В последнее время он рассматривается не только с позиции уменьшения эксплуатационных затрат. Экономичность электродвигателей снижает уровень экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.

Перед производителями постоянно ставятся задачи разработки и выпуска энергосберегающих двигателей, повышения эксплуатационного ресурса, уменьшения шумового уровня.

Улучшить энергосберегающие показатели можно путём снижения потерь при эксплуатации. А они напрямую зависят от рабочей температуры машины. Кроме того, совершенствование этой характеристики неизбежно приведёт к увеличению срока эксплуатации двигателя.

Снизить температуру обмоток можно, применяя вентилятор наружного обдува, закреплённый на хвостовике вала ротора. Но это приводит к неизбежному повышению шума, производимого двигателем при работе. Особенно ощутим этот показатель при высокой скорости вращения ротора.

Таким образом, видно, что асинхронный двигатель имеет один существенный недостаток. Он не способен поддерживать постоянную частоту вращения вала при возрастающих нагрузках. Зато такой двигатель имеет множество преимуществ по сравнению с образцами электродвигателей других конструкций.

Во-первых, он имеет надёжную конструкцию. Работа асинхронного двигателя не вызывает никаких сложностей при его использовании.

Во-вторых, асинхронный двигатель экономичен в производстве и эксплуатации.

В-третьих, эта машина универсальна. Имеется возможность её использования в любых устройствах, которые не требуют точного поддержания частоты вращения вала якоря.

В-четвёртых, двигатель с асинхронным принципом действия востребован и в быту, получая питание только от одной фазы.

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.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Принципы работы

Все электродвигатели имеют неподвижный статор и вращающийся ротор. Разница между асинхронным и синхронным двигателями состоит в принципах создания полюсов. В асинхронном электродвигателе они создаются явлением индукции. Во всех других электродвигателях используются постоянные магниты или катушки с током, создающие магнитное поле.

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины — якорь и индуктор. Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

• Конструктивно используется и как двигатель, и как генератор.
• Частота вращения, не зависящая от нагрузки.
• Большой коэффициент полезного действия.
• Малая трудоёмкость в ремонте и обслуживании.
• Высокая степень надёжности.

Синхронные машины широко используются как электродвигатели большой мощности для небольшой скорости вращения и постоянной нагрузки. Генераторы применяются там, где требуется автономный источник питания.

Имеются у синхронной машины и недостатки:

• Требуется источник постоянного тока для питания индуктора.
• Отсутствует начальный пусковой момент, для запуска требуется применение внешнего момента или асинхронного пуска.
• Щётки и коллекторы быстро выходят из строя.

Современные синхронные агрегаты содержат в индукторе дополнительно к обмотке, питаемой постоянным током, ещё и пусковую короткозамкнутую обмотку, которая предназначена для пуска в асинхронном режиме.

Отличительные черты асинхронных двигателей

Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя наводит индукционные токи в роторе, которые образуют собственное магнитное поле. Взаимодействие полей приводит ротор во вращение. Частота вращения ротора при этом отстаёт от частоты вращения магнитного поля. Именно это свойство отражено в названии двигателя.

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов: с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Бытовые приборы, такие как вентилятор или пылесос, обычно снабжены двигателями с короткозамкнутым ротором, который представляет собой «беличье колесо». Все стержни замыкаются приваренными с обеих сторон дисками. Взаимодействие магнитного поля статора с наведёнными токами в роторе образовывает электромагнитную силу, которая действует на ротор в направлении вращения поля статора. Крутящий момент на валу электродвигателя создаётся всеми электромагнитными силами от каждого проводника.

В электродвигателе с фазным ротором применяется тот же статор, что и для мотора с короткозамкнутым ротором. А в ротор добавляются обмотки трёх фаз, соединённые в «звезду». К ним можно при пуске двигателя подключать реостаты, регулирующие пусковые токи. С помощью реостатов можно регулировать и частоту вращения двигателя.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

• Питание непосредственно от сетей переменного тока.
• Простоту устройства и сравнительно невысокую стоимость.
• Возможность использования в бытовых приборах с применением однофазного подключения.
• Низкое потребление энергии и экономичность.

Серьёзные недостатки — сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Пуск

В асинхронных двигателях с большим моментом инерции необходимо увеличение вращающего момента с одновременным ограничением пусковых токов – для этих целей применяют двигатели с фазным ротором. Для увеличения начального пускового момента в схему ротора включают трехфазный реостат.

В начале пуска он введен полностью, пусковой ток при этом уменьшается. При работе реостат полностью выведен. Для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют три схемы: с реактивной катушкой, с автотрансформатором и с переключением со звезды на треугольник. Рубильник последовательно соединяет реактивную катушку и статор двигателя.

Как запустить трехфазный асинхронный двигатель

Когда скорость ротора приблизится к номинальной, замыкается рубильник, он закорачивает катушка и статор переключаются на полное напряжение сети. При автотрансформаторном пуске по мере разгона двигателя, автотрансформатор переводится в рабочее положение, в котором на статор подается полное напряжение сети. Пуск асинхронного двигателя с предварительным включением обмотки статора звездой и последующим переключением ее на треугольник дает трехкратное уменьшение тока.

При повреждении (пробое) изоляции станины и кожухи электрических машин и трансформаторов оказываются под напряжением относительно Земли. Прикосновение к этим частям машин может при таких условиях быть опасным для людей.

Для предупреждения этой опасности следует при напряжениях свыше 150 В относительно Земли заземлять станины и кожухи электрических машин и трансформаторов, то есть надежно соединять их металлическими проводами или стержнями с Землей. Это выполняется по специальным правилам, которые необходимо строго соблюдать во избежание несчастных случаев.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Отличия подключения трехфазного асинхронного двигателя с одинарным или двойным напряжением иногда приводят к выходу из строя мотора – если не обратить внимание на то, какое напряжение верхнее, а какое нижнее, можно его подключить неправильно и он сгорит. Трехфазные асинхронные электродвигатели до сто тридцать второго габарита включительно обычно бывают на напряжение двести двадцать на триста восемьдесят вольт, от сто шестидесятого габарита – триста восемьдесят на шестьсот шестьдесят вольт, но могут быть и другие варианты.

Трехфазные асинхронные электродвигатели до сто тридцать второго габарита включительно обычно бывают на напряжение двести двадцать на триста восемьдесят вольт, от сто шестидесятого габарита – триста восемьдесят на шестьсот шестьдесят вольт, но могут быть и другие варианты.

Когда мы включаем в сеть ненагруженный двигатель, то в первые моменты  равно или близко к нулю, частота вращения поля относительно ротора  велика и индуцированная в роторе э. д. с. соответственно также велика – она раз в 20 превосходит ту э. д. с., которая возникает в роторе при работе двигателя с нормальной мощностью. Ток в роторе при этом тоже значительно превосходит нормальный.

Отличие от асинхронного мотора

Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока.

И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение.

В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.

Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.

Полюсы обмоток двигателя

В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:

1. Явнополюсными.
2. Неявнополюсными.

Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.

Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.

Скорость вращения поля статора

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения n1{\displaystyle n_{1}} [об/мин] которого связана с частотой питающего напряжения сети f{\displaystyle f} соотношением:

n1=60fp{\displaystyle n_{1}={\frac {60f}{p}}},

где p{\displaystyle p} — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

В зависимости от количества числа пар полюсов возможны следующие значения частот вращения магнитного поля статора, при частоте питающего напряжения сети 50 Гц:

n, об/мин	p{\displaystyle p}
3000	1
1500	2
1000	3
300	10

Большинство двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. Большее число полюсов используется очень редко, такие машины имеют низкий КПД и коэффициент мощности, однако позволяют обойтись без редуктора там, где нужна невысокая частота вращения. Например, существуют даже 34-полюсные двигатели 2АСВО710L-34У1 для привода вентиляторов градирен (синхронная частота 176,5 оборотов в минуту).

Какие типы асинхронных двигателей бывают

Однофазные электродвигатели — самые распространённые в категории. Имеют одну рабочую обмотку, могут функционировать от стандартной сети. Такие агрегаты используют однофазный ток, который запускает вращение вала и ротора электродвигателя. Пазы ротора залиты алюминием, внутри расположен цилиндрический магнитопровод.

У однофазного двигателя магнитное поле пульсирует, а движение начинается после получения вращения. Именно для старта на статоре существует ещё одна обмотка. Этот тип машин используются при производстве простых маломощных вентиляторов и насосов. Распространённые виды однофазных машин: двигатели со смещённым полюсом, с пусковым конденсатором, с разъединёнными обмотками.

Двухфазный асинхронный двигатель работает на переменном токе. Две перпендикулярные рабочие обмотки, есть фазосдвигающий конденсатор. В результате запуска электродвигателя выделяется вращающееся магнитное поле, упрощающее пуск, гарантирующее стабильные высокие обороты электродвигателя. Двухфазные аппараты — основы производства ряда станков и некоторой бытовой техники.

Трёхфазный двигатель работает на трёх параллельных рабочих обмотках, смещённых относительно друг друга на 120 градусов. Обороты такого двигателя также поддерживаются в стабильном состоянии за счёт сдвинутого в пространстве магнитного поля. Трёхфазная машина прекрасно справляется с перегрузками. Однако, у подобных агрегатов очень сложная система регулировки скорости вращения вала.

Эти мощные конструкции используются преимущественно при производстве промышленного оборудования. Так, на их основе работают циркулярные пилы, лифты домов, лебёдки, сверлильные станки, молотилки, веялки, краны, барабаны комбайнов и многое другое. Среди трёхфазных видов выделяют также подвиды: с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором.

7.1. Принцип действия асинхронного двигателя

Двигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели (АД) в свою очередь делятся на двух и трехфазные, из которых в качестве исполнительных двигателей в системах автоматического управления в основном применяются маломощные двигатели до 300 Вт.

Их преимущества перед ДПТ: малая инерционность, бесконтактность, дешевизна.

Их недостатки в сравнении с ДПТ: большие тепловые потери, малый пусковой момент, нелинейные характеристики.

Принцип действия рассмотрим на примере двухфазного асинхронного двигателя, с полым ротором в виде алюминиевого стакана. На статоре этого двигателя расположены две обмотки. Эти обмотки расположены на магнитопроводе под углом 90 друг к другу. На эти обмотки подаются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 90 друг к другу. Под действием этих напряжений в обмотках протекают токи I₁, I₂, также синусоидальные и сдвинутые по фазе на 90. Будем считать, что амплитуды их равны. Эти токи, в свою очередь, создают в магнитопроводе два пульсирующих вектора магнитной индукции и, соответственно два магнитных потока, равных по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90 друг к другу в пространстве и времени. Они суммируются, и создается результирующий магнитный поток, имеющий постоянную амплитуду и вращающийся по окружности с частотой w, где w=2p¦, а ¦ — частота сети.

Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы (рис. 70).

Рис. 70. Двухфазная система

При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы В_А и В_В, характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90, то В_А= В_msin(wt) и В_В= В_msin(wt-90).

Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции Вна оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:

Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 70 равен,

при этом для тангенса угла a , образованного этим вектором с осью абсцисс, можно записать

, откуда a=wt.

Полученные соотношения показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой , описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.

Симметричная трехфазная система катушек также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле. Рис. 71. Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Катушки питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 120. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения

; ; .

Произведя аналогичные расчеты, получим, что модуль результирующего вектора магнитной индукции равен В=1,5 В_m, и также вращается в пространстве с постоянной угловой частотой ,

Рис. 71. Трехфазная система

Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают ротор двигателя, выполненный, например, в виде алюминиевого стакана. В материале ротора наводятся вихревые токи, которые взаимодействуют с вращающимся магнитным потоком статоре и создают движущий момент. Под действием этого момента ротор начинает раскручиваться и набирает скорость до тех пор, пока движущий момент не будет уравновешен моментом, создаваемым нагрузкой.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля, так как в случае их равенства результирующий магнитный поток будет неподвижен относительно ротора, вихревых токов не будет, и, следовательно, не будет движущего момента. Поэтому двигатель называется асинхронным. Величина отставания скорости вращения ротора от скорости вращения поля характеризуется скольжением.

При заторможенном роторе S=1, в идеальном случае при вращении со скоростью поля S=0.

Используются различные конструкции ротора АД. Есть трехфазные АД с фазным ротором, при этом на роторе также намотаны три, пространственно сдвинутых обмотки. В эти обмотки обычно включают внешние сопротивления (реостаты), которыми ограничивается пусковой ток и может регулироваться скорость вращения ротора. Двухфазные АД изготавливают с короткозамкнутой обмоткой: в виде беличьего колеса; в виде вала или стакана из проводящего материала. .Рис 72, 73, 74.

Рис. 72. Трехфазный АД с фазным ротором

Рис. 73. Ротор АД в виде беличьей клетки (а) и в виде стакана (б)