Ток статора асинхронного двигателя. Асинхронный двигатель: Отличия короткозамкнутого и фазного ротора

Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора в асинхронном двигателе. Какие преимущества и недостатки имеет каждый тип ротора. Как устроены и работают короткозамкнутый и фазный роторы.

Основные отличия короткозамкнутого и фазного ротора

Ротор является важнейшей частью асинхронного двигателя, определяющей его характеристики и возможности применения. Существует два основных типа роторов асинхронных двигателей:

• Короткозамкнутый ротор
• Фазный ротор

Давайте рассмотрим ключевые отличия между этими типами роторов:

Конструкция

Короткозамкнутый ротор имеет простую конструкцию в виде «беличьей клетки» — алюминиевые или медные стержни, замкнутые с торцов кольцами. Фазный ротор содержит трехфазную обмотку, выведенную на контактные кольца.

Способ создания тока в роторе

В короткозамкнутом роторе токи индуцируются магнитным полем статора. В фазном роторе токи подводятся через контактные кольца от внешней цепи.

Возможность регулирования

Короткозамкнутый ротор не позволяет регулировать его параметры. Фазный ротор дает возможность включать дополнительные сопротивления в цепь ротора для регулирования пусковых и рабочих характеристик.

Пусковые характеристики

Двигатели с короткозамкнутым ротором имеют высокий пусковой ток. Фазный ротор позволяет ограничить пусковой ток за счет добавочных сопротивлений.

Устройство и принцип работы короткозамкнутого ротора

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя имеет следующую конструкцию:

• Сердечник из листов электротехнической стали
• Алюминиевые или медные стержни, уложенные в пазы сердечника
• Замыкающие кольца на торцах, соединяющие стержни

Принцип действия короткозамкнутого ротора:

1. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники ротора
2. В стержнях ротора индуцируется ЭДС
3. По стержням и кольцам протекают индуцированные токи
4. Взаимодействие токов ротора с магнитным полем создает вращающий момент

Устройство и принцип работы фазного ротора

Фазный ротор асинхронного двигателя включает следующие основные элементы:

• Сердечник из шихтованной электротехнической стали
• Трехфазная обмотка, уложенная в пазы сердечника
• Контактные кольца на валу для подключения обмотки к внешней цепи
• Щетки, скользящие по контактным кольцам

Принцип действия фазного ротора:

1. В обмотке ротора индуцируется ЭДС вращающимся полем статора
2. Обмотка ротора замыкается на внешнее сопротивление через щетки и кольца
3. Во внешней цепи протекает ток ротора
4. Взаимодействие тока с магнитным полем создает вращающий момент

Преимущества и недостатки короткозамкнутого ротора

Рассмотрим основные плюсы и минусы применения короткозамкнутого ротора в асинхронных двигателях:

Преимущества:

• Простая и надежная конструкция
• Низкая стоимость изготовления
• Отсутствие подвижных контактов
• Высокий КПД
• Минимальное техническое обслуживание

Недостатки:

• Высокий пусковой ток (5-7 Iном)
• Низкий пусковой момент
• Сложность регулирования частоты вращения

Преимущества и недостатки фазного ротора

Фазный ротор имеет свои особенности применения в асинхронных электродвигателях:

Преимущества:

• Возможность ограничения пускового тока
• Высокий пусковой момент
• Плавное регулирование частоты вращения
• Возможность рекуперативного торможения

Недостатки:

• Сложная конструкция
• Высокая стоимость
• Наличие скользящих контактов
• Необходимость периодического обслуживания

Области применения двигателей с разными типами роторов

Выбор типа ротора асинхронного двигателя зависит от требований конкретного применения:

Двигатели с короткозамкнутым ротором применяются:

• В приводах насосов, вентиляторов, компрессоров
• В станочном оборудовании
• В бытовой технике
• В сельскохозяйственных машинах

Двигатели с фазным ротором используются:

• В подъемно-транспортных механизмах
• В приводах прокатных станов
• В тяговых электродвигателях
• В приводах с частыми пусками и остановками

Пусковые и рабочие характеристики

Тип ротора асинхронного двигателя оказывает значительное влияние на его характеристики:

Двигатель с короткозамкнутым ротором:

• Пусковой ток: 5-7 Iном
• Пусковой момент: 1,2-1,8 Mном
• Скольжение: 1,5-3%
• КПД: 75-95%

Двигатель с фазным ротором:

• Пусковой ток: 2-3 Iном
• Пусковой момент: до 2,5 Mном
• Скольжение: регулируемое
• КПД: 70-90%

Способы пуска асинхронных двигателей

Для ограничения пусковых токов применяются различные способы пуска асинхронных двигателей:

Двигатели с короткозамкнутым ротором:

• Прямой пуск (для малых мощностей)
• Переключение со звезды на треугольник
• Использование автотрансформатора
• Частотный пуск

Двигатели с фазным ротором:

• Реостатный пуск
• Пуск с помощью индукционного регулятора

Регулирование частоты вращения

Возможности регулирования скорости вращения зависят от типа ротора:

Двигатели с короткозамкнутым ротором:

• Изменение числа пар полюсов
• Частотное регулирование
• Изменение напряжения питания

Двигатели с фазным ротором:

• Введение сопротивлений в цепь ротора
• Каскадные схемы включения
• Импульсное регулирование в цепи ротора

Вопросы выбора типа ротора для конкретных применений

При выборе типа ротора асинхронного двигателя следует учитывать следующие факторы:

• Требуемые пусковые характеристики
• Необходимость регулирования скорости
• Режим работы (длительный, повторно-кратковременный)
• Условия эксплуатации
• Стоимость двигателя и обслуживания

Для большинства общепромышленных применений оптимальным выбором являются двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте и надежности. Двигатели с фазным ротором применяются в специальных случаях, когда требуются высокий пусковой момент и возможность регулирования скорости.

Заключение

Выбор между короткозамкнутым и фазным ротором асинхронного двигателя определяется конкретными требованиями применения. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Короткозамкнутые роторы обеспечивают простоту и надежность, а фазные роторы дают возможность управления пусковыми и рабочими характеристиками. Правильный выбор типа ротора позволяет оптимизировать работу электропривода и повысить эффективность технологического процесса.

 Рабочие характеристики асинхронного двигателя — зависимости потребляемого тока I₁ и мощности Р₁, КПД, cos φ и скольжения s от полезной механической мощности P₂. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U₁ и частоте f₁ сети.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя могут быть получены экспериментально (опытным путем) и рассчитаны с помощью схемы замещения.

Ниже приводится расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя по схеме замещения.

По обмотке статора асинхронной машины протекает многофазная система токов, обычно трехфазная, которая создает в воздушном зазоре машины вращающееся магнитное поле (магнитный поток Ф).

 Вращающееся магнитное поле в свою очередь индуктирует (наводит) в проводниках обмотки ротора ЭДС, под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекает ток I

2. Этот ток, взаимодействуя с магнитным потоком Ф, создает механическую силу, стремящуюся привести ротор во вращение в сторону вращения магнитного поля.

Определим, с какой частотой вращения магнитное поле машины пересекает проводники ротора. Эта частота равна, об/мин:

             (9)

Определим частоту ЭДС f₂, которая наводится магнитным полем асинхронной машины в проводниках ротора, Гц:

f₂=р n₂/60.            (10)

Если учесть, что n₂=n₁s [см. формулу (9)], то можно записать

       (11)

Из формулы (11) видно, что если ротор машины неподвижен (n=0, s=l), то частота ЭДС, наводимой в роторе, равна частоте сети. По мере увеличения частоты вращения ротора ЭДС понижается и при синхронной частоте будет равна нулю. На рис. 13 показаны изменения скольжения, частоты и ЭДС в роторе в зависимости от частоты вращения ротора.

Рис. 13. Зависимость скольжения s, частоты f

2 и ЭДС, наводимой в роторе, E2 от частоты вращения асинхронного двигателя n

Из закона электромагнитной индукции следует, что при гармоническом изменении магнитного поля наводимая в обмотке ЭДС равна:

E=4,44fwk_обФ_max,             (12)

где f — электрическая частота, Гц; w — число последовательно соединенных витков фазы; k_об — обмоточный коэффициент; Ф_max — максимальное значение рабочего потока, сцепленного с обмоткой, Вб.

Знание частоты f₂ в роторе дает возможность определить ЭДС ротора Е₂ при произвольной частоте вращения (скольжении), В, в виде

E₂=4,44f₂w2k_об2Ф_max,           (13)

где w₂ — число последовательно  соединенных витков обмотки ротора; k_об2 — обмоточный   коэффициент   ротора.

Подстановка f₂  из формулы (11) дает, В,

E_2s

=4,44f s w₂k_об2Ф_max=sE₂,     (   14)

где Е₂ — ЭДС, наводимая в неподвижной обмотке ротора потоком Ф_max, В.

Осветим теперь важный для анализа работы асинхронных двигателей вопрос о зависимости вращающегося магнитного потока двигателя от режима работы машины. Для этого, чтобы представить себе эту зависимость, определим вначале, какую ЭДС Е₁ наводит этот поток в каждой фазе обмотки статора, В:

E₁=4,44fw₁k_об1Ф_max,     (15)

где w₁ — число витков одной фазы статора; k_об1 —обмоточный коэффициент обмотки статора.

Напряжение U₁, приложенное к статору, уравновешивается ЭДС E₁ и падением напряжения I₁z₁ на внутреннем сопротивлении z₁=r₁+jx₁ обмотки статора (х₁— индуктивное сопротивление обмотки, определяемое потоком рассеяния) . При изменении нагрузки двигателя от нуля (холостой ход) до номинальной падение напряжения составляет 5—10 % приложенного. Таким образом, с достаточной для качественного анализа точностью можно полагать, что напряжение U

1 полностью компенсируется ЭДС Е1 т. е. .

U₁≈E₁         (16)

Учитывая формулу (15), нетрудно заключить, что ЭДС и вращающийся магнитный поток двигателя зависят от приложенного к двигателю напряжения. При постоянном напряжении поток Фmах остается приблизительно постоянным независимо от изменения нагрузки двигателя.

Рассмотрим вначале явления, происходящие в машине с заторможенным ротором и замкнутой накоротко обмоткой ротора. Асинхронный двигатель в этом режиме подобен трансформатору с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Отличие состоит в том, что вторичная магнитная цепь отделена от первичной воздушным зазором, первичная обмотка (статора) и вторичная обмотка (ротора) равномерно распределены по окружности, а магнитное поле вращающееся.

Как видно из формулы (14) и рис. 13, ЭДС, наводимая в обмотке ротора, когда он неподвижен, является максимальной. В силу этого и ток, проходящий по обмоткам статора и ротора, также будет наибольшим. Этот режим называется режимом короткого замыкания (КЗ). Ток статора в этом режиме называется током короткого замыкания и превышает его номинальный ток в 4—7 раз. Асинхронный двигатель в таких условиях нельзя длительно оставлять под полным напряжением из-за перегрева обмоток, который может привести к аварии.

Для определения тока короткого замыкания двигателя делают опыт КЗ. Этот опыт заключается в том, что к двигателю с заторможенным (неподвижным) ротором подводят пониженное напряжение, регулируя которое, устанавливают номинальный ток. Напряжение, подводимое к двигателю в опыте КЗ, оказывается малым (15— 20%) по сравнению с номинальным. На базе этого опыта можно в безопасных для двигателя условиях определить величину тока короткого замыкания /к при номинальном напряжении, А:

       (17)

где U_ном — номинальное напряжение, В; U_к — напряжение в опыте КЗ при номинальном токе, В; I_ном — номинальный ток, А.

Замеряя в этом опыте по ваттметру мощность короткого замыкания Р_к, подводимую к одной фазе двигателя,  находят также  коэффициент  мощности в режиме  КЗ

      (18)

и эквивалентное активное сопротивление статора и ротора двигателя гк в режиме КЗ на одну фазу, Ом,

r_к=P_к/I_ном2              (19) 

Это эквивалентное активное сопротивление равно сумме активного сопротивления статора и приведенного активного сопротивления ротора. Понятие о приведенном активном и реактивном сопротивлении ротора будет дано ниже.

Определив угол φк по значению cosφк из формулы (18), легко найти и эквивалентное реактивное сопротивление двигателя в режиме короткого замыкания, Ом:

х_к=r_кctgφ_к (20)

Индуктивное сопротивление хк равно сумме индуктивного сопротивления статора и приведенного индуктивного сопротивления ротора.

Поскольку частота вращения ротора двигателя в этом режиме равна нулю, его механическая мощность также равна нулю. Потери в стали во время опыта короткого замыкания очень малы, так как мал вращающийся магнитный поток. Поэтому мощность Р_к, которая подводится к машине, почти вся идет на нагрев проводников обмоток статора и ротора. То же самое можно сказать о режиме КЗ при полном напряжении.

Теперь представим себе, что обмотка ротора разомкнута, а обмотка статора включена в сеть. Ток по роторной обмотке при этом не проходит и асинхронный двигатель подобен трансформатору, но уже в режиме холостого хода (XX). Так как ток в проводниках ротора отсутствует, то механическая сила не возникает и ротор остается неподвижным.

По обмотке статора при этом проходит ток холостого хода I₀, который создает магнитодвижущую силу (МДС), необходимую для создания магнитного потока Ф_max. Поскольку в магнитной цепи асинхронного двигателя имеется зазор, то для создания магнитного потока требуется относительно больший ток, чем в трансформаторе. В двигателях большой и средней мощности ток XX составляет 25—35, а в двигателях малой мощности — 35—60% номинального тока.

Наводимая в неподвижном роторе ЭДС может быть определена по формуле (14), если учесть, что скольжение в этом режиме равно 1. Отношение ЭДС в обмотке статора к ЭДС в обмотке ротора называется коэффициентом трансформации ЭДС и может быть определено по формуле

           (21)

Мощность, потребляемая двигателем в режиме XX при неподвижном роторе, расходуется на потери в проводниках статора двигателя, потери на перемагничивание и вихревые токи в стали статора и в стали ротора.

Важно заметить, что режим XX при неподвижном роторе очень близок к режиму, который возникает, когда  асинхронный двигатель не выполняет полезной работы и вращается на холостом ходу. В этом случае частота вращения ротора двигателя почти равна синхронной, а  скольжение примерно равно нулю [см. формулы (4), (9) и рис. 13]. Электродвижущая сила в роторе будет близкой к нулю, и, следовательно, подобно режиму XX при неподвижном роторе практически равен  нулю ток в роторе. При холостом ходе вращающегося двигателя ток в обмотке статора, как и в случае холостого хода неподвижного двигателя, определяется в основном МДС, необходимой для создания магнитного потока Ф_max.

При вращении ротора в двигателе появляются потери, которых нет в случае неподвижного ротора; это механические потери на трение и вентиляционные. Однако когда частота вращения ротора примерно равна синхронной, исчезают потери в стали ротора двигателя, поскольку магнитное поле теперь очень медленно перемещается относительно ротора и его сталь почти не перемагничивается. Таким образом, потери и, следовательно, мощность в двух режимах холостого хода оказываются близкими.

Асинхронная машина в режиме холостого хода может быть представлена схемой замещения, показанной на рис. 14. Для определения параметров и характеристик двигателя помимо опыта КЗ выполняют опыт XX, во время которого замеряют ток обмотки статора I₀ (А) и потребляемую мощность Р₀ (Вт). Это позволяет определить сопротивления в схеме замещения двигателя на холостом ходу, а также коэффициент мощности XX:

cosφ₀=P₀/(UI₀).            (22)

Рис. 14. Схема замещения первичной цепи (статора)   асинхронного  двигателя,  работающего  в режиме холостого хода

Перейдем теперь к рассмотрению общего случая режима нагрузки, когда ротор вращается с частотой, меньшей частоты XX. Определим, какой ток будет проходить по обмотке ротора во всем диапазоне рабочих режимов. Наводимая вращающимся магнитным потоком ЭДС в обмотке ротора зависит при постоянном напряжении только от скольжения и может быть найдена по (14). Ток ротора будет, очевидно, зависеть от ЭДС, наводимой в роторе, и сопротивления обмотки ротора, при этом полное сопротивление цепи в случае переменного тока определяется не только активным сопротивлением проводников обмотки, но и ее индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление обмотки ротора изменяется так же, как и ЭДС ротора E_2s, Ом:

x_2s=2πf₂L₂=s2πf₁L₂ =sx₂,      (23)

где L₂ — индуктивность обмотки ротора, Гн; х₂— индуктивное сопротивление рассеяния обмотки неподвижного ротора при s=l, Ом.

Теперь, используя закон Ома для цепей переменного тока, найдем ток ротора, А:

      (24)

Учитывая (14) и (23), формулу (24) можно записать иначе:

           (25)

Таким образом, можно видеть, что при скольжении, равном нулю или близком к нему (это соответствует синхронной или близкой к синхронной частоте вращения ротора), ток ротора равен нулю или очень мал. Это совпадает с тем, что было сказано выше относительно режима XX при вращающемся роторе. По мере уменьшения частоты вращения двигателя, т. е. при увеличении скольжения, ток возрастает за счет увеличения ЭДС ротора, однако рост тока ограничивается увеличением индуктивного сопротивления ротора.

Если разделить числитель и знаменатель выражения (25) для тока ротора I₂ на s, то получим следующую формулу:

           (26)

Из этого следует, что если мы примем, что ротор неподвижен, а его активное сопротивление меняется обратно пропорционально скольжению, то по его обмотке будет проходить точно такой же ток, как и при вращающемся роторе. Удобство такого преобразования состоит в том, что оно позволяет вместо вращающегося ротора (вращающаяся вторичная электрическая цепь) рассматривать неподвижный ротор (неподвижная вторичная цепь).

Однако изучение процессов, происходящих в асинхронной машине, и расчет ее характеристик можно сделать более удобными, если заменить реальную обмотку ротора эквивалентной с числом витков в фазе и числом фаз, равным им у первичной обмотки (обмотки статора), т. е. вместо обмотки ротора с числом фаз m₂, числом витков в фазе w₂ и обмоточным коэффициентом k_об2 будем полагать, что обмотка ротора имеет число фаз ти число витков в фазе w₁ и обмоточный коэффициент k_об1. Эта замена называется приведением обмотки ротора к обмотке статора. Нетрудно видеть, что магнитный поток Ф в этом случае будет наводить в эквивалентной (приведенной) обмотке ротора ЭДС, равную ЭДС обмотки статора E₂‘=E₁ (штрихом будем обозначать приведенные величины).

Замена обмотки ротора не должна привести к изменению потребляемой мощности, потерь, магнитодвижущей силы и фазы тока обмотки. Из этого условия определяются приведенные величины тока, активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора .

В соответствии с (13) имеем, В

           (27)

Из формул (27) вытекает отношение между ЭДС приведенной и реальной обмоток заторможенного ротора, которое называется коэффициентом трансформации ЭДС или напряжений. Он равен:

          (28)

Из условия неизменности магнитодвижущих сил F₂‘ =F₂ следует, что

   

откуда вытекает отношение между токами, которое называется коэффициентом трансформации токов. Он равен:

          (29)

Из условия неизменности потерь в обмотке ротора при приведении следует, что

   

откуда

           (30)

или r₂‘=k_rr₂,

где k_r=k_Ik_U — коэффициент приведения сопротивлений.

Из условия неизменности фазы тока обмотки ротора следует

           (31)

Процесс приведения цепи ротора показан на рис. 15. От схемы замещения обмотки вращающегося ротора (рис. 15,а) переходим к схеме замещения неподвижного ротора (рис. 15,б), а затем приводим обмотку ротора к обмотке статора (рис. 15, в).

Рис. 15. Схемы замещения: а — обмотки вращающегося ротора; б — неподвижного ротора; в — обмотки ротора, приведенной к обмотке статора

Поскольку теперь ЭДС Е₁ первичной обмотки равна ЭДС Е₂‘ вторичной обмотки, мы можем соединить электрически соответствующие точки схемы замещения обмотки статора и ротора. В результате получим схему замещения асинхронного двигателя, показанную на рис. 16. Здесь активное сопротивление r_m отражает наличие потерь в стали двигателя. Для двигателей средней и большой мощности удобнее пользоваться упрощенной схемой замещения, приведенной на рис. 17.

Рис. 16. Т-образная схема замещения  асинхронного двигателя

Рис. 17. Упрощенная Г-образная схема замещения  асинхронного двигателя

Используя последнюю схему, легко найти токи и ЭДС в обмотках, подводимую и полезную мощность, а также мощность потерь при любой частоте вращения двигателя. Для этого следует лишь найти скольжение, соответствующее заданной частоте n, по формуле (4) и вычислить сопротивление r₂‘/s в схеме по рис. 17. После этого нетрудно найти ток намагничивания I₀ и приведенный ток I₂‘ в роторной цепи, А:

              (32)

Это дает возможность вычислить электрические потери в обмотке статора трехфазного двигателя (m₁=3), Вт:

               (33)

Электрические потери в обмотке ротора (Вт) можно найти, предварительно рассчитав по (30) приведенное сопротивление ротора r₂‘  (Ом):

              (34)

Суммарная активная мощность, передаваемая со статора на ротор, как видно из схемы (рис. 17), будет равна, Вт:

               (35)

Эта мощность передается на ротор электромагнитным путем и поэтому называется электромагнитной мощностью.

Если из электромагнитной мощности вычесть мощность электрических потерь в обмотке ротора, то получим полную механическую мощность двигателя, Вт:

               (36)

Полная механическая мощность расходуется на вращение приводного механизма (полезная механическая мощность) и на покрытие механических Р_мх.п и добавочных Р_д.п потерь самого двигателя. Поэтому полезная механическая мощность Р₂ будет равна, Вт:

               (37)

Коэффициент полезного действия двигателя по определению равен отношению отдаваемой (полезной механической) мощности к потребляемой (активной электрической) мощности. Разность между этими мощностями составляют потери в двигателе, равные, Вт:

 

где P_м.п=m₁I₀2r_m — магнитные потери или потери в стали. Таким образом, КПД двигателя равен:

              (38)

Использование первого или второго выражения для КПД определяется тем, какая из мощностей — P₁ или Р₂— известна. На практике наиболее часто применяется первое выражение (38).

Используя схему замещения, можно определить также ток, потребляемый двигателем из сети, т. е. ток статора, который равен сумме двух токов. Первый из них — это ток XX, который протекает по цепи 1 (рис. 17) и не изменяется при изменении частоты вращения ротора, второй — ток ротора I₂‘, который определяется по (32). Складывая геометрически эти два тока, можно получить ток статорной обмотки. Такое геометрическое сложение показано на рис. 18. Углы φ₂‘, φ₀, необходимые для построения, можно найти с помощью схемы замещения (см. рис. 17):

Таким образом, знание параметров схемы замещения (r₁, x₁, r₂‘, х₂‘, rm, хm) и приложенного напряжения U₁ (напряжение сети) позволяет с помощью приведенных выше формул определить полезную мощность, токи, потери, КПД, коэффициент мощности двигателя при различных скольжениях (частоте вращения).

Рис. 18. Диаграмма токов асинхронного двигателя  

Зависимости потребляемого тока I₁ и мощности Р₁, КПД, cosφ и скольжения s от полезной механической мощности P₂ носят название рабочих характеристик двигателя. Эти характеристики определяются при постоянном напряжении U₁ и частоте f₁ сети. Пример рабочих характеристик приведен на рис. 19.

Рис. 19. Рабочие характеристики асинхронного двигателя 

Рассмотрим рабочие характеристики асинхронного двигателя. При холостом ходе (полезная мощность Р₂—0) скольжение s также равно нулю (частота вращения ротора n практически равна синхронной), сопротивление r₂/’s равно бесконечности (см. рис. 17) и ток I₂‘==0. По обмотке статора протекает ток холостого хода I₀. Коэффициент полезного действия η равен нулю, так как равна нулю полезная мощность Р₂, а коэффициент мощности равен коэффициенту мощности для тока холостого хода (cosφ₁=cosφ₀).

При увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается и увеличивается скольжение s. За счет увеличения s уменьшается сопротивление цепи 2 (см. рис. 17) и увеличивается ток ротора, а следовательно, и ток статоpa. Поскольку увеличивается полезная мощность, растет, КПД двигателя, а также коэффициент мощности.

Обычно номинальная мощность на валу двигателя достигается уже при небольшом понижении частоты вращения ротора и вся область рабочих режимов находится в диапазоне скольжений от 0 до 2—5%.

Поэтому скоростная характеристика n=f(P₂) у асинхронного двигателя имеет небольшой наклон к оси абсцисс. Характеристики такого вида принято называть жесткими. Соответственно характеристика s=f(P₂) имеет слабый подъем при возрастании нагрузки. В асинхронном двигателе частота вращения ротора меньше частоты вращения поля, за счет чего обеспечивается наведение ЭДС, а также создание тока 1% в обмотке ротора и вращающего электромагнитного момента, под действием которого ротор приходит во вращение.

Характеристика cosφ=f(P₂) лежит в области значений, меньших 1, так как асинхронный двигатель всегда потребляет ток I₀, почти не зависящий от нагрузки в диапазоне мощностей от Р₀ до Р₂≈Р_ном. При XX обычно  φ₀<0,2, т. е. он содержит большую реактивную составляющую. При увеличении нагрузки cosφ быстро возрастает и достигает максимального значения при мощности Р₂≈Р_2ном. При увеличении нагрузки выше номинальной cosφ  несколько снижается.

Коэффициент полезного действия достигает своего максимального значения при Р₂≈ (0,6÷0,8)Р_2ном и снижается при дальнейшем росте нагрузки. Поскольку двигатель обычно работает при переменной нагрузке, изменяющейся в пределах (0,6—1)Р_2ном, то КПД в этом диапазоне изменения нагрузки должен быть достаточно высок.

Расчетные формулы основных параметров асинхронных двигателей

В таблице 1 представлены расчетные формулы для определения основных параметров асинхронных двигателей.

В данной таблице собраны все формулы, которые касаются расчета параметров асинхронных двигателей.

Используя формулы из данной таблицы, вам больше не придется искать нужную формулу в различных справочниках.

Таблица 1 — Расчетные формулы для определения основных параметров асинхронных двигателей

Наименование величин	Формулы	Принятые обозначения
Потребляемая активная мощность из сети, кВт		U1, I1 – линейные значения напряжения, В и тока двигателя, А; cosϕ – коэффициент мощности;
Потребляемая реактивная мощность, квар
Полезная мощность на валу, кВт		Ƞ — КПД двигателя;
Потребляемый двигателем ток, А
Вращающий момент двигателя, кГм		nном. – номинальная скорость вращения ротора, об/мин;
Синхронная скорость вращения магнитного поля, об/мин		f1 – частота питающего тока, Гц; р – число пар полюсов машины;
Скольжение двигателя
Скорость вращения ротора при нагрузке, об/мин
ЭДС обмоток статора и ротора, В		kоб.1, kоб.2 – обмоточные коэффициенты статора и ротора, равные произведению коэффициентов укорочения kу шага и распределения обмотки kw; kоб. = kу* kw;
Коэффициенты трансформации по напряжению и по току		w1, w2 – числа витков обмоток статора и ротора; m1, m2 – числа фаз в обмотках статора и ротора. У двигателей с фазным ротором. m2 = 3 у двигателей с короткозамкнутым ротором; m2 = z2, т.е. числу пазов в роторе.
Параметры схемы замещения		zк, rк, хк – полное, активное и индуктивное сопротивления при КЗ двигателя, Ом; Iп – пусковой ток двигателя, А; ∆Рк – суммарные потери в меди статора и ротора двигателя, Вт; r1, x1 – активное и индуктивное сопротивления обмотки статора, Ом; r2’, x2’ – активные и индуктивные сопротивления ротора, приведенные к обмотке статора, Ом;
Ток холостого хода, А		Iном. – номинальный ток двигателя, А
Критическое скольжение		sinϕ – коэффициент реактивной мощности; kм – коэффициент перегрузочной способности;
Уравнение вращающего момента		Sном. – скольжение при номинальной нагрузке
Скольжение двигателя s2 при введении добавочного сопротивления в ротор
КПД двигателя при введении добавочного сопротивления в ротор
Критический максимальный момент, развиваемый в двигательном (+) и генераторном (-) режимах, кГм		U1ф – фазное напряжение, В
Уравнение вращающего момента при добавочном сопротивлении в цепи ротора

Литература:

1. Справочная книга электрика. В.И. Григорьева, 2004 г.

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

активное сопротивление двигателя, полное сопротивление двигателя, реактивное сопротивление двигателя, ток двигателя

Поделиться в социальных сетях

Благодарность:

Если вы нашли ответ на свой вопрос и у вас есть желание отблагодарить автора статьи за его труд, можете воспользоваться платформой для перевода средств «PayPal».

Данный проект поддерживается и развивается исключительно на средства от добровольных пожертвований.

Проявив лояльность к сайту, Вы можете перечислить любую сумму денег, тем самым вы поможете улучшить данный сайт, повысить регулярность появления новых интересных статей и оплатить регулярные расходы, такие как: оплата хостинга, доменного имени, SSL-сертификата, зарплата нашим авторам.

Какак разница между короткозамкнутым и фазным ротором

Какак разница между короткозамкнутым и фазным ротором

Ротор — вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела или отдающие её рабочему телу.

Как вы знаете, асинхронные электродвигатели имеют трехфазную обмотку (три отдельные обмотки) статора, которая может формировать разное количество пар магнитных полюсов в зависимости от своей конструкции, что влияет в свою очередь на номинальные обороты двигателя при номинальной частоте питающего трехфазного напряжения. При этом роторы двигателей данного типа могут отличаться, и у асинхронных двигателей они бывают короткозамкнутыми или фазными. Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора — об этом и пойдет речь в данной статье.

Короткозамкнутый ротор

Представления о явлении электромагнитной индукции подскажут нам, что произойдет с замкнутым витком проводника, помещенным во вращающееся магнитное поле, подобное магнитному полю статора асинхронного двигателя. Если поместить такой виток внутри статора, то когда ток на обмотку статора будет подан, в витке будет индуцироваться ЭДС, и появится ток, то есть картина примет вид: виток с током в магнитном поле. Тогда на такой виток (замкнутый контур) станет действовать пара сил Ампера, и виток начнет поворачиваться вслед за движением магнитного потока.

Так и работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, только вместо витка на его роторе расположены медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко между собой кольцами с торцов сердечника ротора. Ротор с такими короткозамкнутыми стержнями и называют короткозамкнутым или ротором типа «беличья клетка» поскольку расположенные на роторе стержни напоминают беличье колесо.

Проходящий по обмоткам статора переменный ток, порождающий вращающееся магнитное поле, наводит ток в замкнутых контурах «беличьей клетки», и весь ротор приходит во вращение, поскольку в каждый момент времени разные пары стержней ротора будут иметь различные индуцируемые токи: какие-то стержни — большие токи, какие-то — меньшие, в зависимости от положения тех или иных стержней относительно поля. И моменты никогда не будут уравновешивать ротор, поэтому он и будет вращаться, пока по обмоткам статора течет переменный ток.

К тому же стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу. Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.

Скольжение s

Для асинхронных двигателей всегда характерно скольжение s, возникающее из-за того, что синхронная частота вращающегося магнитного поля n1 статора выше реальной частоты вращения ротора n2.

Скольжение возникает потому, что индуцируемая в стержнях ЭДС может иметь место только при движении стержней относительно магнитного поля, то есть ротор всегда вынужден хоть немного, но отставать по скорости от магнитного поля статора. Величина скольжения равна s = (n1-n2)/n1.

Если бы ротор вращался с синхронной частотой магнитного поля статора, то в стержнях ротора не индуцировался бы ток, и ротор бы просто не стал вращаться. Поэтому ротор в асинхронном двигателе никогда не достигает синхронной частоты вращения магнитного поля статора, и всегда хоть чуть-чуть (даже если нагрузка на валу критически мала), но отстает по частоте вращения от частоты синхронной.

Скольжение s измеряется в процентах, и на холостом ходу практически приближается к 0, когда момент противодействия со стороны ротора почти отсутствует. При коротком замыкании (ротор застопорен) скольжение равно 1.

Вообще скольжение у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором зависит от нагрузки и измеряется в процентах. Номинальное скольжение — это скольжение при номинальной механической нагрузке на валу в условиях, когда напряжение питания соответствует номиналу двигателя.

Фазный ротор

Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.

Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».

К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат. Краны и лифты, например, пускаются под нагрузкой, и здесь необходимо развивать существенный рабочий момент. Невзирая на усложненность конструкции, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают лучшими регулировочными возможностями касательно рабочего момента на валу, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которым требуется промышленный частотный преобразователь.

Обмотка статора асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется аналогично тому, как и на статорах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, и аналогичным путем создает, в зависимости от количества катушек (три, шесть, девять или более катушек), два, четыре и т. д. полюсов. Катушки статора сдвинуты между собой на 120, 60, 40 и т. д. градусов. При этом на фазном роторе делается столько же полюсов, сколько и на статоре.

Регулируя ток в обмотках ротора, регулируют рабочий момент двигателя и величину скольжения. Когда регулировочный реостат полностью выведен, то для уменьшения износа щеток и колец их закорачивают при помощи специального приспособления для подъема щеток.

Ранее ЭлектроВести писали, что в Атлантическом океане первый в мире телескопический ветрогенератор обеспечивает электроэнергией 5000 домохозяйств на одном из Канарских островов — Гран-Канария.

По материалам: electrik.info.

Номинальные значения рабочей мощности и тока электродвигателей

Классы компонентов: 1.6.1.1.1. Модульные автоматические выключатели (ВАМ, МСВ), 1.6.5.1. Модульные контакторы, 1.6.1.2.1. Мотор-автоматы (автоматические выключатели защиты двигателей, MPCB), 1.6.1.3.1. Автоматические выключатели в литом корпусе (MCCB), 1.6.5.2. Контакторы, 1.6.5.3. Пускатели, 1.6.5.4. Реле перегрузки и аксессуары к ним, 1.12. Электродвигатели и приводная техника

Значения тока, приведенные ниже, относятся к стандартным трехфазным четырехполюсным асинхронным электродвигателям с КЗ ротором (1500 об/мин при 50 Гц, 1800 об/мин при 60 Гц). Данные значения представлены в качестве ориентира и могут варьироваться в зависимости от производителя электродвигателя и количества полюсов.

Мощность электродвигателя	Номинальный ток электродвигателя: стандартные значения обозначены синим цветом (в соответствии с МЭК 60947-4-1, приложение G)
	220В	230В	240В	380В	400В	415В	440В	500В	660В	690В
0,06 кВт	0,37	0,35	0,34	0,21	0,2	0,19	0,18	0,16	0,13	0,12
0,09 кВт	0,54	0,52	0,5	0,32	0,3	0,29	0,26	0,24	0,18	0,17
0,12 кВт	0,73	0,7	0,67	0,46	0,44	0,42	0,39	0,32	0,24	0,23
0,18 кВт	1	1	1	0,63	0,6	0,58	0,53	0,48	0,37	0,35
0,25 кВт	1,6	1,5	1,4	0,9	0,85	0,82	0,74	0,68	0,51	0,49
0,37 кВт	2	1,9	1,8	1,2	1,1	1,1	1	0,88	0,67	0,64
0,55 кВт	2,7	2,6	2,5	1,6	1,5	1,4	1,3	1,2	0,91	0,87
0,75 кВт	3,5	3,3	3,2	2	1,9	1,8	1,7	1,5	1,15	1,1
1,1 кВт	4,9	4,7	4,5	2,8	2,7	2,6	2,4	2,2	1,7	1,6
1,5 кВт	6,6	6,3	6	3,8	3,6	3,5	3,2	2,9	2,2	2,1
2,2 кВт	8,9	8,5	8,1	5,2	4,9	4,7	4,3	3,9	2,9	2,8
3 кВт	11,8	11,3	10,8	6,8	6,5	6,3	5,7	5,2	4	3,8
4 кВт	15,7	15	14,4	8,9	8,5	8,2	7,4	6,8	5,1	4,9
5,5 кВт	20,9	20	19,2	12,1	11,5	11,1	10,1	9,2	7	6,7
7,5 кВт	28,2	27	25,9	16,3	15,5	14,9	13,6	12,4	9,3	8,9
11 кВт	39,7	38	36,4	23,2	22	21,2	19,3	17,6	13,4	12,8
15 кВт	53,3	51	48,9	30,5	29	28	25,4	23	17,8	17
18,5 кВт	63,8	61	58,5	36,8	35	33,7	30,7	28	22	21
22 кВт	75,3	72	69	43,2	41	39,5	35,9	33	25,1	24
30 кВт	100	96	92	57,9	55	53	48,2	44	33,5	32
37 кВт	120	115	110	69	66	64	58	53	40,8	39
45 кВт	146	140	134	84	80	77	70	64	49,1	47
55 кВт	177	169	162	102	97	93	85	78	59,6	57
75 кВт	240	230	220	139	132	127	116	106	81	77
90 кВт	291	278	266	168	160	154	140	128	97	93
110 кВт	355	340	326	205	195	188	171	156	118	113
132 кВт	418	400	383	242	230	222	202	184	140	134
160 кВт	509	487	467	295	280	270	245	224	169	162
200 кВт	637	609	584	368	350	337	307	280	212	203
250 кВт	782	748	717	453	430	414	377	344	261	250
315 кВт	983	940	901	568	540	520	473	432	327	313
355 кВт	1109	1061	1017	642	610	588	535	488	370	354
400 кВт	1255	1200	1150	726	690	665	605	552	418	400
500 кВт	1545	1478	1416	895	850	819	745	680	515	493
560 кВт	1727	1652	1583	1000	950	916	832	760	576	551
630 кВт	1928	1844	1767	1116	1060	1022	929	848	643	615
710 кВт	2164	2070	1984	1253	1190	1147	1043	952	721	690
800 кВт	2446	2340	2243	1417	1346	1297	1179	1076	815	780
900 кВт	2760	2640	2530	1598	1518	1463	1330	1214	920	880
1000 кВт	3042	2910	2789	1761	1673	1613	1466	1339	1014	970

Асинхронный Двигатель Переменного Тока: Подключение, Ремонт

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

Электрические моторы заняли в жизни человека почетное место и применяются в приборах различной мощности и габаритов. Встретить их можно повсеместно, начиная от электрических зубных щеток, стиральных машин микроволновых печей до беговых дорожек, промышленного оборудования или огромных автомобилях.

Причина популярности предельно ясна даже неспециалисту – простота устройства, легкость в обслуживании, рентабельность производства и многое другое, включая повсеместную электрификацию. Исключение, пожалуй, составляют автомобили, так как подать к ним ток по проводам нельзя, если это не троллейбус, но и то, в этом направлении сегодня ведется множество разработок.

Сегодня мы с вами поговорим о том, что представляет собой асинхронный двигатель переменного тока. Узнаем, как он устроен, и за счет каких принципов работает. Погнали!

Что такое асинхронный двигатель

Классический двигатель переменного тока асинхронный

Трехфазный асинхронный двигатель мало чем отличается от своих собратьев и состоит из двух основных частей – вращающейся и неподвижной, или другими словами ротора и статора. Располагаются они один в другом при этом, не касаясь друг друга. Между деталями имеется небольшой воздушный зазор от 0,5 до 2 миллиметров, в зависимости от конструкции двигателя.

Схематическое строение

Однако это не все детали. Давайте разберем строение более подробно.

Схематическое строение трехфазного двигателя

• Статор – фактически главная рабочая часть, являющаяся мощным электромагнитом. Состоит он их сердечника, выполненного из тонколистовой технической стали, толщиной всего лишь 0,5 миллиметров, которая покрывается токоизоляционным лаком, и обмотки, сделанной из медной проволоки, которая также изолирована и располагается продольных пазах сердечника

Строение статора прекрасно видно на представленной выше схеме, где показано, что сердечник собран из множества пластин совмещенных друг с другом.

Цилиндр на валу снизу – это и есть ротор

• Ротор – данный элемент также состоит из сердечника, обмотка которого короткозамкнута (хотя бывает и другое строение), который располагается на валу. Сердечник этого элемента также представлена в виде шихтованной детали, однако сталь не покрывается лаком, так как ток, протекающий внутри, будет очень слабым, и естественной оксидной пленки будет вполне достаточно, чтобы ограничить вихревые токи.
• Вал мотора представляет собой центральную ось, вокруг которой и происходит вращение электромотора. С разных концов на этом элементе располагаются подшипники качения, за счет которых обороты происходят максимально плавно и легко. Сами подшипники запрессованы в боковые крышки, в которых имеются посадочные места под них.

Совет! Подшипники должны сидеть очень плотно, при этом они должны быть отцентрованы, смазаны, легко вращаться, то есть быть исправными, иначе при высоких оборотах двигатель очень быстро выйдет из строя.

Разбитая и новые крыльчатки

• На конце вала, противоположном приводу, располагается небольшая крыльчатка, которая при включенном двигателе выполняет функцию его охлаждения. Кстати, данный элемент тоже может стать причиной появления вибрации в двигателе, если его лопасти отломаются, что негативно сказывается на сроке службы агрегата. Пример разбитого вентилятора можно увидеть на фото выше.
• Идем по цепочке. Боковые крышки корпуса крепятся к станине, которая удерживает все вышеназванное вместе.

Также любой двигатель имеет пусковую аппаратуру и силовые цепи, о чем мы подробнее поговорим немного позже.

Принцип вращение электромагнитного поля

Электромагнитная индукция в моторах

Главной особенностью любого электрического двигателя является то, что он способен переводить электрическую энергию в кинетическую, то есть механическую. При этом, разобрав его строение, вы можете увидеть, что никакого прямого или передаточного привода он не имеет. Как же тогда происходит вращение двигателя?

Вся фишка в том, что обмотка статора способна создавать сильное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор, при включении мотора в электрическую сеть. Данное магнитное поле имеет определенную частоту вращения, которая прямопропорциональна частоте переменного тока, и имеет обратную пропорциональность числу пар полюсов обмотки.

То есть данную частоту можно вычислить по формуле: n1 = f1*60/p, где: n1 – частота вращения магнитного поля; f1 – частота переменного тока в Герцах; p – количество пар полюсов.

Строение асинхронного двигателя переменного тока

Пока ничего не понятно?

Ничего, сейчас во всем разберемся.

• Чтобы наглядно себе представить принцип вращения магнитного поля, давайте рассмотрим примитивную трехфазную обмотку, имеющую всего три витка.

Пример того, как вращается магнитное поле в электрическом двигателе

• Витки – это проводники, по которым при включении в сеть протекает электрический ток. Во время этого процесса вокруг проводника возникает электромагнитное поле.
• Мы знаем, что показатели переменного тока изменяются со временем – сначала он нарастает, затем падает до нуля, потом течет в обратном направлении по тому же принципу, и так до бесконечности. Именно поэтому переменный ток изображают в виде синусоиды.

Графическое изображение переменного тока

• В то время как изменяются показатели тока, меняются и параметры магнитного поля, вызываемого им.
• Особенностью трехфазных двигателей и генераторов является то, что в один момент времени по обмотке статора ток протекает в фазах со смещением на 120 градусов, то есть на треть времени одного такта.
• Такт – это 1 Герц, то есть прохождение переменным током одного полного цикла колебания синусоиды. Схематически это будет выглядеть вот так.

Смещение между фазами составляет ровно 120 градусов

• В результате в статоре двигателя одновременно образуется несколько магнитных полей, которые, взаимодействуя, дают результирующее поле.

Изменение магнитного поля в разные моменты времени

• Когда происходит изменение параметров токов, протекающих в фазах, начинает изменяться и результирующее магнитное поле. Выражается это в смене его ориентации, при том, что амплитуда остается одинаковой.
• В результате получается так, что магнитное поле вращается вокруг некой центральной оси.

А что будет, если внутрь данного магнитного поля поместить проводник?

Принцип электромагнитной индукции

Согласно закону об электромагнитной индукции, который мы подробно описывали в статье про генераторы постоянного и переменного тока, в проводнике возникает электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Если этот проводник замкнут на внешнюю цепь или на себя, то в нем потечет ток.

Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, начинает действовать сила, и контур начинает вращаться. По этому принципу и работают асинхронные двигатели переменного тока, однако вместо рамки в магнитном поле находится короткозамкнутый ротор, который своим внешним видом напоминает беличье колесо.

Строение короткозамкнутого ротора

• Как видно из схемы выше, такой ротор состоит из параллельно расположенных стержней, которые с торцов замкнуты двумя кольцами.
• При подключении статора к электрической сети, он начинает формировать вращающееся магнитное поле, которое индуктирует во всех стержнях ротора ЭДС, из-за чего ротор начнет вращаться.
• При этом в разных стержнях будет отличаться направление текущего тока и его величина, в зависимости от того, в каком положении они находятся относительно полюсов магнитного поля. Опять-таки, если не понятно, то отсылаем вас снова к закону об электромагнитной индукции.

Изменение ЭДС на примере генератора переменного тока

Интересно знать! Стержни на роторе наклоняют относительно оси его вращения. Делается это для того, чтобы пульсация момента и высшие гармоники ЭДС, сокращающие эффективность двигателя, были меньше.

Особенности асинхронного двигателя

Неприхотливые в эксплуатации электромоторы

Итак, давайте разбираться с тем, какие двигатели переменного тока называются асинхронными.

Скольжение ротора

Главной особенностью таких агрегатов является то,  что частота вращения ротора отличается от этого же показателя у магнитного поля. Назовем условно эти значения n2 и n1, соответственно.

Объяснить это можно тем, что индуцироваться ЭДС может только при этом неравенстве – n2 должна быть меньше n1. Разница в частотах этих вращений называется частотой скольжения, а сам эффект отставания ротора и называется скольжением, которое обозначается как «s». Высчитать этот параметр можно по следующей формуле: s = (n1-n2)/n1.

Асинхронный двигатель в разрезе

• Давайте представим себе ситуацию, в которой частоты n1 и n2 будут одинаковыми. В этом случае положение стержней ротора относительно магнитного поля будет неизменным, а значит, движение проводников относительно магнитного поля происходить не будет, то есть ЭДС не индуктируется, и ток не течет. Отсюда следует вывод, что сил приводящих ротор в движение возникать не будет.
• Если предположить, что изначально двигатель был в движении, то теперь ротор начнет замедляться, отставая от магнитного поля, а значит, стержни сместятся относительно магнитного поля и снова начнет расти ЭДС и движущая сила, то есть вращение снова возобновится.
• Приведенное описание довольно грубое. В реальности ротор асинхронного двигателя никогда не может догнать скорость вращения магнитного поля, поэтому крутится равномерно.
• Уровень скольжения тоже величина непостоянная, и может изменяться от 0 до 1, или другими словами, от 0 до 100 процентов. Если скольжение близко к 0, что соответствует холостому режиму работы двигателя, то есть ротор не будет испытывать противодействующий момент. Если значение этого параметра близко к 1 (режим короткого замыкания), то ротор будет неподвижен.
• Отсюда можно сделать вывод, что скольжение напрямую будет зависеть от механической нагрузки на вал двигателя, и чем она больше, тем выше и коэффициент.

Принцип работы асинхронного двигателя

• Для асинхронных двигателей средней и малой мощности допустимый коэффициент скольжения находится в диапазоне от 2 до 8%.

Мы уже написали, что такой двигатель преобразует электрическую энергию с обмоток статора в кинетическую, однако стоит понимать, что эти силы не равны друг другу. Всегда при преобразовании происходят потери на гистерезисе, нагреве, трении и вихревых токах.

Данная часть энергии рассеивается в виде тепловой, поэтому двигатель и оборудуется вентилятором для охлаждения.

Питание двигателя

Схема подключения

Давайте теперь разберемся с тем, как происходит подключение асинхронного электродвигателя переменного тока.

• Мы уже вкратце описывали, как протекает ток в трехфазной сети, но не совсем понятно, какие выгоды такое питание имеет перед однофазными или двухфазными аналогами.
• В первую очередь можно отметить экономичность системы с таким подключением.
• Также для нее характерна большая эффективность.

Фазы подключаются к обмотке статора по определенным схемам, называемым звезда и треугольник, каждая из которых имеет свои особенности. Соединения эти могут быть выполнены как внутри двигателя, так и снаружи, в распределительной коробке. В первом случае из корпуса выходит три провода, а во втором шесть.

Для лучшего понимания принципов работ схем давайте введем некоторые понятия:

1. Фазное напряжение – напряжение в одной фазе, то есть разница потенциалов между ее концами.
2. Линейное напряжение – это разница в потенциалах разных фаз.

Эти значения очень важны, так как позволяют рассчитать потребляемую мощность электромотора.

Вот формулы, предназначенные для этого:

Формулы расчета мощности двигателя

Данные формулы вычисления мощности двигателя справедливы для подключения и звездой, и треугольником. Однако стоит всегда учитывать, что подключение одного и того же двигателя разными способами будет сказываться на его энергопотреблении.

А если потребляемая мощность не соответствует параметрам двигателя, то может произойти расплавление обмотки статора, и моментальный выход из строя агрегата.

Чтобы понять это лучше, давайте разберем один наглядный пример:

• Представьте двигатель, подключенный по схеме «звезда», который подключен в сеть переменного тока. Линейное напряжение будет составлять 380В, а фазовое 220В. Потребляет при этом он 1А.
• Высчитываем мощность: 1,73*380*1 = 658 Вт – 1,73 является корнем из 3.
• Если сменить схему подключения на треугольник, то получится следующее. Линейное напряжение останется без изменений и составит 380В, а вот фазовое напряжение (вычисляем по первой формуле) увеличится и станет таким же 380В.
• Увеличенное в корень из 3 раз фазовое напряжение, приведет к увеличению в такое же количество раз фазового тока. То есть Iл будет равно не 1, а 1,73*1,73, что приблизительно равняется 3
• Повторяем расчет мощности: 1,73*380*3 = 1975 Вт.

Как видно из примера, потребляемая мощность стала намного больше, и если двигатель не рассчитан на работу в таком режиме, то он неизбежно перегорит.

Как выглядят схематично разбираемые подключения обмотки

Подключение трехфазного двигателя асинхронного типа к однофазной сети

Разобрав принцип работы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, становится понятным, что напрямую подключить его к общественным сетям, в который «царит» одна фаза,  не так просто. Выполнить такое подключение становится возможным, если применить фазосдвигающие элементы.

Варианты подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

При таком подключении двигатель может работать в двух режимах:

1. Первый ничем не отличается от работы однофазных двигателей (смотреть рисунки а, б и г, где применяется пусковая обмотка). При таком режиме работы двигатель способен выдать лишь 40-50% от своей номинальной мощности.
2. Второй (в, д, е) – режим конденсаторного двигателя, при котором агрегат способен выдать до 80-ти% мощности (в схему включен постоянно работающий конденсатор).

Совет! Емкость конденсатора рассчитывается по специальным формулам, согласно выбранной схеме.

Как управлять электродвигателем

Управление асинхронным электродвигателем переменного тока может быть реализовано тремя способами:

Магнитный пускатель

• Прямое подключение к питающей сети – для этого применяются магнитные пускатели, с помощью которых можно реализовать нереверсивные и реверсивные режимы работы мотора. Отличие, думаем понятно – во втором случае двигатель мотет вращаться в другом направлении. Недостатком такого подключения является то, что в цепи присутствуют большие пусковые токи, что не очень хорошо для самого агрегата. Цена такого устройства будет самой низкой

Устройство плавного пуска

• Плавный пуск двигателя – такие устройства для управления применяются тогда, когда вам требуется возможность регулировки скорости вращения вала при запуске двигателя. Показанный прибор уменьшает пусковые токи, в результате чего защищает двигатель от больших пусковых токов. Оно обеспечивает плавный старт и остановку вала.

Частотный преобразователь

• Самым дорогим и сложным подключением электрического двигателя является применение частотного преобразователя. Такое решение используется тогда, когда требуется регулировка скорости вращения вала двигателя не только при старте и торможении. Данное устройство способно менять частоту и напряжение подаваемого на двигатель тока.
• Его применение имеет следующие плюсы: во-первых сокращается энергопотребление мотора; во-вторых, как и устройство плавного пуска, двигатель защищается от ненужных перегрузок, что благотворно сказывается на его состоянии и сроке службы.

Частотные преобразователи могут реализовать следующие методы регулирования:

Скалярное управление

1. Управление скалярного типа. Наиболее простой и недорогой в реализации, обладающий медленным откликом на изменение нагрузки в сети и небольшим диапазоном регулировки, в виде недостатков. Из-за того подобное управление применимо лишь там, где изменение нагрузки происходит по определенному закону, например, переключение режимов в фене.
2. Управление векторного типа. Данная схема применяется там, где требуется обеспечить независимое управление вращением электродвигателя, например, в лифте. Она позволяет сохранять одинаковые обороты даже при изменяющихся параметрах нагрузки.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Более сложная конструкция асинхронного двигателя

До того момента, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели большой и средней мощности изготавливались с фазным ротором. Такая конструкция дает двигателю лучшие свойства по плавному пуску и регулировке оборотов, однако  эти агрегаты намного сложнее в плане строения.

• Статор такого мотора ничем не отличается от того, что устанавливается в двигателях с короткозамкнутым ротором, но вот сам ротор устроен по-другому.
• Также как и статор, он имеет трехфазную обмотку, которая подключается «звездой» к контактным кольцам. Обмотка укладывается в пазы стального сердечника, от которого она изолируется.

Кольца контактные

• Контактные кольца соединяются через графитовые щетки с трехфазным пусковым или регулировочным реостатом, с помощью которого и производится пуск ротора.

Реостат жидкостного типа

• Реостаты бывают металлическими и жидкостными. Первые (их еще называют проволочными) – ступенчатые, которые управляются механическим переключением своими руками рукояти контроллера, либо автоматически, при помощи контроллера с электроприводом. Вторые представляют собой некие сосуды с электролитом, в который опущены электроды. Изменение сопротивления такого реостата осуществляется за счет глубины их погружения.

Интересно знать! Отдельные модели АДФР, с целью увеличения КПД и ресурса щеток, после запуска ротора поднимают щетки и за счет короткозамкнутого механизма замыкают кольца.

На сегодняшний день устройства с фазными роторами практически не применяются, так как их эффективно заменяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, оснащенные частотным преобразователем.

На этом подведем итог. Мы узнали строение асинхронного трехфазного двигателя и принцип его работы. Материал для большинства читателей будет теоретическим, но, думаем, все равно интересным. Если вам нужно узнать, как выполнить ремонт асинхронного двигателя переменного тока, то прочтите предыдущую статью на нашем сайте. Там будет дана инструкция по разбору, и рассказано, что можно диагностировать и исправить самостоятельно, не обращаясь в мастерскую. Также рекомендуем к просмотру подобранное нами видео.

Принцип работы асинхронного электродвигателя | Русэлт

Асинхронные электродвигатели – это устройства, главным назначением которых является преобразование энергии переменного электротока в механическую. Своим названием двигатель обязан асинхронному типу вращения ротора относительно частоты вращения магнитного поля, индуцирующего электроток в обмотке статора.

Принцип работы на примере асинхронного электродвигателя трехфазного тока

Этот тип электрического двигателя наиболее часто применяется в различных сферах промышленности. Двигатель имеет 3-и обмотки на статоре, со смещением на 120 градусов. Обмотки запитаны переменным током и объединены по схеме «звезда» или «треугольник». При подаче напряжения на обмотку статора во всех трёх фазах появится магнитный поток.

Вместе с изменением частоты напряжения на обмотке статора, изменяется и магнитный поток. Фазы и магнитные потоки смещены относительно друг друга на сто двадцать градусов. Суммарный магнитный поток и будет вращающимся магнитным потоком, создающим электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС, в замкнутой электроцепи обмотки ротора, индуцирует электроток. Во взаимодействии с магнитным потоком статора, ток создает пусковой момент электрического двигателя. Ротор начинает вращение в таком же направлении, что и магнитное поле статора при превышении пусковым моментом двигателя его тормозного момента.

Преимущества и недостатки асинхронных электродвигателей

Простота эксплуатации и хорошая ремонтопригодность – главные достоинства асинхронного двигателя, сделавшие его наиболее востребованным в очень разных сферах машиностроения и приборостроения. Привлекает и:

• Сравнительно невысокая цена;
• Надёжность
• Несложность подсоединения в общую электроцепь устройств.

Асинхронные электродвигатели имеют и ряд недостатков:

• Трудности с точным регулированием скорости;
• Большой пусковой ток;
• Относительно невысокий коэффициент мощности.

По типу обмотки ротора, короткозамкнутой или фазной, асинхронные двигатели, подразделяются на 2 типа:

• Электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеют обмотку, замыкающуюся на сам ротор;
• Электродвигатели с фазным ротором – обмотку с концами, выведенными на щеточно-коллекторный узел.

Преимущество двигателя с фазным ротором в том, что скорость вращения можно регулировать путем подключения дополнительных сопротивлений (реостатного регулирования).

Намагничивающие силы и токи асинхронного электродвигателя

Намагничивающие силы и токи асинхронного электродвигателя

Основной магнитный поток Ф в асинхронном двигателе создается совместным действием намагничивающих сил обмоток статора F1 и ротора F2

Ф = (F1+F2) / Rм = F0 / Rм,

где Rм — магнитное сопротивление магнитной системы двигателя потоку Ф;
F0 = F1 + F2 — результирующая намагничивающая сила (н.с.) асинхронного двигателя, численно равная н.с. обмотки статора в режиме холостого хода.

Величина этой н.с. определяется выражением

F0 = 0,45 m1 (I0? 1 / p ) K1,

где I0 — ток холостого тока, т.е. ток в обмотке статора в режиме холостого хода.

Намагничивающие силы обмоток статора и ротора в режиме нагруженного двигателя

F1 = 0,45 m1 (I1? 1 / p ) K1,
F2 = 0,45 m2 (I2? 2 / p ) K2,

где m1 — число фаз в обмотке ротора;
K2 — обмоточный коэффициент обмотки ротора.

При изменениях нагрузки на валу двигателя меняются токи I1 и I2 в обмотках, что вызывает соответствующие изменения намагничивающих сил обмоток статора и ротора. Но основной магнитный поток Ф при этом сохраняется неизменным. Дело в том, что напряжение, подведенное к обмотке статора, неизменно (U1 = const) и почти полностью уравновешивается электродвижущей силой (э.д.с.) Е1 обмотки статора

?1 ? — ?1.

Но, поскольку э.д.с. Е1 пропорциональна основному потоку Ф, то последний при изменениях нагрузки остается неизменным. Этим и объясняется то, что, несмотря на изменения н. с. F1 и F2, результирующая н. с. F0 остается неизменной,

F0 = F1+F2 = const.

Подставив вместо F0, F1 и F2 их значения (см. формулы выше), получим

0,45 m1 (I0? 1/p) K1 = 0,45 m1 (I1? 1/p) K1+ 0,45 m2 (I2? 2/p) K2.

Разделив это равенство на m1(?1/p) K1, получим уравнение токов асинхронного двигателя

I0 = I1 [(m2? 2K2)/(m1? 1K1)] I2 = I1 I’2).

Величина I’2 = [(m2?2K2)/(m1?1K1)] I2 представляет собой ток ротора, приведенный к обмотке статора.

Преобразовав уравнение токов, получим выражение тока статора

I1 = I0 (-I’2),

из которого следует, что ток статора асинхронного двигателя имеет две составляющие: намагничивающую и составляющую, которая компенсирует размагничивающее действие тока статора.

Следовательно, ток ротора I’2 оказывает на магнитную силу двигателя такое же размагничивающее влияние, как и ток вторичной обмотки трансформатора. Этим объясняется то, что любое изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением тока в обмотке статора I1. Дело в том, что изменение нагрузки на валу двигателя вызывает изменение скольжения s. Это, в свою очередь, влияет на э.д.с. обмотки ротора, следовательно, и на величину тока ротора I2. Но так как ток I2 оказывает размагничивающие влияние на магнитную цепь двигателя, то его изменения вызывают соответствующие изменения тока в цепи статора I1 за счет составляющей –I’2. Так, например, в режиме холостого хода, когда нагрузка на валу двигателя отсутствует и s ? 0, ток I’2 ? 0.

В этом случае ток в обмотке статора I1 ? I0. Если же ротор затормозить, не отключая обмотки статора от сети (режим короткого замыкания), то скольжение s = 1 и э.д.с. обмотки ротора Е2s достигает своего наибольшего значения Е2. Также наибольшего значения достигает ток I’2, а следовательно, и ток в обмотке статора I1.

Асинхронный асинхронный двигатель, ток в статоре

Например, это модель эквивалентной схемы для статора?

Это эквивалентная модель одной фазы всего двигателя. Статорная часть состоит из Rs, Xs и Xm. Wr и Rr — компоненты ротора. Обратите внимание, что было упрощено устранение влияния соотношения оборотов статора: ротора. Однако вы можете предположить, что указанные параметры ротора относятся к цепи статора. Обращение к статору означает, что частота статора может использоваться для расчета как Xs, так и Xr.Скорость ротора — это механическая скорость.

Ток статора рассчитывается путем деления фазного напряжения на эквивалентный комплексный импеданс всей показанной цепи.

Скорость магнитного поля статора в радианах в секунду составляет 4xPixf / полюс. Скорость ротора (механическая скорость) — это скорость магнитного поля статора за вычетом скольжения. Скорость магнитного поля ротора такая же, как скорость магнитного поля статора. Что касается другой проблемы, я считаю, что омега статора — это частота мощности, а механическая скорость — это скорость магнитного поля.

Для дальнейшего пояснения концепции:

В принципе, всегда следует помнить о механической конструкции. При анализе характеристик двигателя предполагается, что «холостой ход» — это работа без каких-либо подключений к валу. За исключением этого особого условия, скорость ротора = скорости нагрузки. Крутящий момент, развиваемый в роторе, равен крутящему моменту нагрузки плюс механические потери в двигателе, состоящие из трения подшипника и аэродинамического сопротивления ротора (парусность). В этой задаче механические потери считаются частью нагрузки или пренебрежимо малыми.Скорость статора = скорость поля = синхронная скорость.

Похоже, что в этой задаче потери в стали считаются незначительными. В эквивалентной схеме потери в стали (гистерезис и потери на вихревые токи) будут представлены в виде резистора, включенного параллельно с Xm. Это довольно большая потеря, чтобы пренебречь ею, но мне, вероятно, необходимо пренебречь ею, чтобы построить проблему таким образом, как построен.

Зависимость крутящего момента двигателя и нагрузки от скорости

Эта проблема определяет требуемый крутящий момент нагрузки, крутящий момент, необходимый для движения нагрузки с заданной скоростью.Требуемый момент нагрузки пропорционален квадрату скорости. Это типично для фаната. Предоставляется информация для определения крутящего момента двигателя как функции скорости. Установившаяся рабочая скорость и крутящий момент для двигателя, приводящего в движение нагрузку, являются пересечением кривой допустимого крутящего момента двигателя и кривой требуемого крутящего момента нагрузки. Если фактическая рабочая скорость выше или ниже нормальной рабочей точки, как это было при первоначальном включении двигателя, избыточный крутящий момент двигателя применяется для ускорения двигателя и инерции нагрузки до нормальной рабочей скорости.

Когда увеличивается нагрузка на ротор асинхронного двигателя, как статор потребляет больше тока?

Наведенный в роторе ток создает магнитное поле. Сила между этим магнитным полем и магнитным полем статора передается как крутящий момент, вращающий нагрузку. Нагрузка имеет противодействующий крутящий момент, который противостоит крутящему моменту, передаваемому двигателем. Это сопротивление крутящему моменту двигателя электрически воспринимается ротором как дополнительное сопротивление в цепи ротора последовательно с фактическим очень низким сопротивлением стержней ротора.Если момент нагрузки отсутствует, сопротивление нагрузки высокое и ток ротора равен нулю. При увеличении нагрузки сопротивление нагрузки меньше, а сила тока увеличивается.

A Более подробное объяснение

В трехфазном асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле статора, проходящее через проводники ротора, индуцирует ток в проводниках ротора. Закон Ленца гласит, что ток, индуцируемый в цепи из-за изменения или движения магнитного поля, направлен так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока и оказывать механическую силу, противодействующую движению.В результате сила между магнитными полями статора и ротора заставляет ротор вращаться. Если нет силы, препятствующей вращению, скорость ротора будет увеличиваться до тех пор, пока его скорость не будет соответствовать скорости магнитного поля статора (синхронная скорость). В этот момент поле статора проходит через ротор, не проходя через проводники ротора, и ток ротора и крутящий момент падают до нуля.

Если двигатель вращает нагрузку, крутящий момент нагрузки противодействует крутящему моменту двигателя и не позволяет двигателю достичь синхронной скорости.Разница между рабочей скоростью двигателя и синхронной скоростью называется скоростью скольжения или скольжением. Величина скольжения пропорциональна крутящему моменту, создаваемому двигателем.

Чтобы объяснить и проанализировать работу асинхронного двигателя, примерно в 1887 году Чарльзом Протеем Стейнмецем была разработана следующая эквивалентная схема. Схема представляет собой одну фазу трехфазного двигателя

Схема адаптирована из книги Малкома Барнса «Практические преобразователи частоты и силовая электроника»

В этой схеме идеальный трансформатор используется для представления механизма индукции тока в роторе вращающимся магнитным полем статора.Переменный резистор Rr (1-с) / с представляет механическую нагрузку и влияние скольжения на ток ротора. Механическая мощность, развиваемая в роторе, представлена ​​мощностью, рассеиваемой в переменном резисторе. Остальные компоненты схемы представляют электрические свойства статора и ротора.

Лаборатория автомобильной электроники Clemson: Асинхронные двигатели переменного тока

Асинхронные двигатели переменного тока Базовое описание Двигатели переменного тока — электрические машины, преобразующие электрическую энергию (поставляются в виде синусоидально изменяющегося во времени или «переменного» тока) до вращательной механической энергии посредством взаимодействие магнитных полей и проводников.В отличие от двигателей, которые работают напрямую от постоянного тока, Двигатели переменного тока обычно не требуют щеток или коммутаторов. Одним из типов двигателей переменного тока является асинхронный или асинхронный двигатель переменного тока. Асинхронные или асинхронные двигатели состоят из статора с обмоткой, способной производить вращающийся магнитный поле, и ротор с закороченной обмоткой проводника, в котором ток индуцируется вращающееся магнитное поле. Поля, создаваемые током, наведенным в ротор создает восстанавливающий момент, отвечающий за вращение ротора.Вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, легко настраивается с помощью многофазного источника переменного тока. Термин «асинхронный» относится к тому факту, что вращение ротора всегда медленнее, чем скорость вращения магнитного поля. Разница в скорости поля и ротора называется «скольжением», а крутящий момент двигателя пропорциональна этому скольжению. Таким образом, частота вращения двигателей зависит как от частоты возбуждения, так и от нагрузки. Синхронная скорость или теоретическая максимальная скорость асинхронный двигатель зависит от частоты питания (например, часто 60 Гц в США) и количество полюсов. Асинхронные двигатели часто называемые двигателями с короткозамкнутым ротором из-за конструкции обмотки ротора. Асинхронный двигатель запускается с максимальным скольжением и имеет склонность рисовать изначально очень высокий ток, особенно при запуске с высокой нагрузкой. Это приводит к необходимости иметь отдельный пусковой механизм.В случае однофазных двигателей переменного тока для запуска двигателя сначала необходимо привести в движение ротор. Это достигается за счет использования механического пусковое усилие или с помощью отдельной пусковой обмотки. Хотя большинство электрических и гибридно-электрических автомобилей используют синхронные двигатели переменного тока для главного привода, Tesla Roadster, Tesla Model S, электрический привод Mercedes B-класса и некоторые другие используют асинхронный двигатель переменного тока. Производителей Baldor, Bircraft, Century, Circor, Emerson, Empire Magnetics, Fasco, Groschopp, Kinetek, Leeson, Met Motors, Motion Control Group, North American Electric, Pittman, Powertec, Remy, Siemens, Sterling Electric, Teco, Toshiba, WEG, Чжунда Для получения дополнительной информации [1] Асинхронный двигатель, Википедия. [2] Двигатели переменного тока, CoolMagnetMan.com. [3] Induction Motor Action, учебное пособие на веб-сайте HyperPhysics Университета штата Джорджия. [4] Electric Motor Assembly, YouTube, 15 января 2009 г. [5] Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока, Freescale.com. [6] AC Motors, YouTube, 19 мая 2010 г. [7] Squirrel Cage Motors, YouTube, 18 июля 2010 г.

Асинхронные двигатели переменного тока | Как работают электродвигатели переменного тока Асинхронные электродвигатели переменного тока

| Как работают двигатели переменного тока — объясните это Рекламное объявление

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 28 июня 2021 г.

Вы знаете, как работают электродвигатели? Ответ, наверное, да и нет! Хотя многие из нас узнали, как базовые моторные работы, из простых научных книг и веб-страниц, таких как эта, многие из двигатели, которые мы используем каждый день — от заводских машин до электропоезда — вообще-то так не работают. Какие книги рассказывают нам о простых двигателях постоянного тока (DC), которые имеют петля из проволоки, вращающаяся между полюсами постоянного магнита; в реальной жизни, в большинстве двигателей большой мощности используется переменный ток (AC) и работают совершенно по-другому: это то, что мы называем индукцией двигатели, и они очень изобретательно используют вращающееся магнитное поле.Давайте посмотрим внимательнее!

Фотография: Обычный асинхронный двигатель переменного тока со снятыми корпусом и ротором, демонстрирующий медные обмотки катушек, составляющих статор (статическая, неподвижная часть двигателя). Эти катушки предназначены для создания вращающегося магнитного поля, которое вращает ротор (подвижную часть двигателя) в пространстве между ними. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL.

Как работает обычный двигатель постоянного тока?

Простые двигатели, которые вы видите в научных книгах, основаны на кусок проволоки, согнутый в прямоугольную петлю, которая подвешена между полюса магнита.(Физики назвали бы это проводник с током сидит в магнитном поле.) Когда вы подключаете такой провод к батарее, через него течет постоянный ток (DC), создавая вокруг него временное магнитное поле. Это временное поле отталкивает исходное поле от постоянного магнита, в результате чего провод перевернуть. Обычно провод останавливался в этой точке, а затем снова переворачивался, но если мы воспользуемся оригинальным вращающимся соединением называется коммутатором, мы можем сделать обратный ток каждый раз, когда проволока переворачивается, и это означает, что проволока будет продолжать вращаться в в том же направлении, пока течет ток.Это суть простого электродвигателя постоянного тока, задуманного в 1820-е годы Майкла Фарадея и превратился в практическое изобретение о десять лет спустя Уильям Стерджен. (Более подробную информацию вы найдете в нашей вводной статье об электродвигателях.)

Изображение: Электродвигатель постоянного тока основан на проволочной петле, вращающейся внутри фиксированного магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом. Коммутатор (разрезное кольцо) и щетки (угольные контакты к коммутатору) меняют направление электрического тока каждый раз, когда провод перекручивается, что позволяет ему вращаться в одном и том же направлении.

Прежде чем перейти к двигателям переменного тока, давайте быстро резюмируйте, что здесь происходит. В двигателе постоянного тока магнит (и его магнитное поле) фиксируется на месте и образует внешнюю статическую часть двигатель (статор), а катушка с проводом, несущая электрический ток формирует вращающуюся часть двигателя (ротор). Магнитное поле исходит от статора, который представляет собой постоянный магнит, пока вы подаете электроэнергию на катушку, которая составляет ротор. Взаимодействие между постоянными магнитами поле статора и временное магнитное поле, создаваемое ротором, равно что заставляет мотор крутиться.

Рекламные ссылки

Как работает двигатель переменного тока?

В отличие от игрушек и фонариков, большинство домов, офисов, фабрики и другие здания не питаются от маленьких батареек: они питаются не постоянным током, а переменным током (AC), который меняет направление примерно 50 раз в секунду. (с частотой 50 Гц). Если вы хотите запустить двигатель от домашней электросети переменного тока, вместо батареи постоянного тока вам нужна другая конструкция двигателя.

В двигателе переменного тока есть кольцо электромагнитов расположены снаружи (составляя статор), которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля.Внутри статора находится цельная металлическая ось, проволочная петля, катушка, беличья клетка из металлических стержней и межсоединений (например, вращающиеся клетки, которым иногда удается развлечь мышей), или другая свободно вращающаяся металлическая деталь, которая может проводить электричество. В отличие от двигателя постоянного тока, где вы посылаете энергию во внутренний ротор, в двигателе переменного тока вы посылаете мощность на внешние катушки, которые составляют статор. Катушки запитываются попарно, последовательно, создавая магнитное поле, вращающееся вокруг двигателя.

Фото: Статор создает магнитное поле с помощью туго намотанных катушек из медной проволоки, которые известны как обмотки. Когда электродвигатель изнашивается или перегорает, можно заменить его другим электродвигателем. Иногда легче заменить обмотки двигателя новым проводом — это умелая работа, называемая перемоткой, что и происходит здесь. Фото Сета Скарлетта любезно предоставлено ВМС США.

Как это вращающееся поле заставляет двигатель двигаться? Помните, что ротор, подвешенный внутри магнитное поле, является электрическим проводником.Магнитное поле постоянно меняется (потому что оно вращается), поэтому согласно законам электромагнетизма (точнее, закону Фарадея), магнитное поле производит (или индуцирует, если использовать термин Фарадея) электрический ток внутри ротора. Если проводник представляет собой кольцо или провод, ток течет вокруг него по петле. Если проводник представляет собой просто цельный кусок металла, вместо этого вокруг него циркулируют вихревые токи. В любом случае индуцированный ток производит собственное магнитное поле и, согласно другому закону электромагнетизма (Закон Ленца) пытается остановить то, что его вызывает — вращающееся магнитное поле — также вращаясь.(Вы можете думать о роторе отчаянно пытается «догнать» вращающееся магнитное поле, пытаясь устранить разница в движении между ними.) Электромагнитная индукция — это ключ к тому, почему такой двигатель вращается, и поэтому он называется асинхронным.

Фото: эффективный асинхронный двигатель переменного тока. Фото Аль-Пуэнте любезно предоставлено NREL.

Как работает асинхронный двигатель переменного тока?

Вот небольшая анимация, чтобы подвести итог и, надеюсь, прояснить все:

1. Две пары катушек электромагнита, показанные здесь красным и синим цветом, поочередно запитываются источником переменного тока (не показан, но подключаются к выводам справа).Две красные катушки соединены последовательно и запитаны вместе, а две синие катушки катушки подключаются таким же образом. Поскольку это переменный ток, ток в каждой катушке не включается и не выключается внезапно (как предполагает эта анимация), а плавно повышается и падает в форме синусоидальной волны: когда красные катушки наиболее активны, синие катушки полностью неактивны, и наоборот. Другими словами, их токи не совпадают (не совпадают по фазе на 90 °).
2. Когда катушки находятся под напряжением, магнитное поле, которое они создают между ними, индуцирует электрический ток в роторе.Этот ток создает собственное магнитное поле, которое пытается противодействовать тому, что его вызвало (магнитное поле от внешних катушек). Взаимодействие между двумя полями заставляет ротор вращаться.
3. Когда магнитное поле чередуется между красной и синей катушками, оно эффективно вращается вокруг двигателя. Вращающееся магнитное поле заставляет ротор вращаться в одном направлении и (теоретически) почти с одинаковой скоростью.

Асинхронные двигатели на практике

Что контролирует скорость двигателя переменного тока?

Фотография: Двигатель с регулируемой частотой.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено NREL.

В синхронных двигателях переменного тока ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле; в асинхронном двигателе ротор всегда вращается с меньшей скоростью, чем поле, что делает его примером так называемого асинхронного двигателя переменного тока. Теоретическая скорость ротора в асинхронном двигателе зависит от частоты источника переменного тока и количества катушек, составляющих статор, и без нагрузки на двигатель приближается к скорости вращающегося магнитного поля.На практике нагрузка на двигатель (независимо от того, чем он управляет) также играет роль, замедляя ротор. Чем больше нагрузка, тем больше «пробуксовка» между скоростью вращающегося магнитного поля и фактической скоростью ротора. Чтобы контролировать скорость двигателя переменного тока (чтобы он работал быстрее или медленнее), вы должны увеличивать или уменьшать частоту источника переменного тока, используя так называемый частотно-регулируемый привод. Поэтому, когда вы регулируете скорость чего-то вроде заводской машины, питаемой от асинхронного двигателя переменного тока, вы на самом деле управляете цепью, которая изменяет частоту тока, приводящего в движение двигатель, вверх или вниз.

Что такое «фаза» двигателя переменного тока?

Нам не обязательно приводить в движение ротор с четырьмя катушками (двумя противоположными парами), как показано здесь. Можно построить асинхронные двигатели с любым другим расположением катушек. Чем больше у вас катушек, тем плавнее будет работать мотор. Количество отдельных электрических токов, возбуждающих питание катушек независимо, не в такте, известно как фаза двигателя, поэтому конструкция, показанная выше, представляет собой двухфазный двигатель (с двумя токами, питающими четыре катушки, которые работают не в шаге в двух парах. ).В трехфазном двигателе мы могли бы иметь три катушки, расположенные вокруг статора в виде треугольника, шесть равномерно расположенных катушек (три пары) или даже 12 катушек (три набора по четыре катушки) с одной, двумя или четырьмя катушками. включается и выключается одновременно тремя отдельными противофазными токами.

Анимация: трехфазный двигатель, питаемый тремя токами (обозначенными красным, зеленым и синие пары катушек), сдвиг по фазе на 120 °.

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Преимущества

Самым большим преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является их простота.У них есть только одна движущаяся часть, ротор, что делает их недорогими, тихими, долговечными и относительно безотказными. ОКРУГ КОЛУМБИЯ двигатели, напротив, имеют коллектор и угольные щетки, которые изнашиваются выходят и нуждаются в замене время от времени. Трение между щетками и Коммутатор также делает двигатели постоянного тока относительно шумными (а иногда даже довольно вонючими).

Artwork: Электродвигатели чрезвычайно эффективны, обычно преобразовывая около 85 процентов поступающей электроэнергии в полезную исходящую механическую работу.Даже в этом случае довольно много энергии теряется в виде тепла внутри обмоток, поэтому двигатели могут сильно нагреваться. Большинство двигателей переменного тока промышленной мощности имеют встроенные системы охлаждения. Внутри корпуса находится вентилятор, прикрепленный к валу ротора (на противоположном конце оси, который приводит в движение любую машину, к которой прикреплен двигатель), показанный здесь красным. Вентилятор всасывает воздух в двигатель, обдувая его снаружи корпуса, минуя ребра вентиляции. Если вы когда-нибудь задумывались, почему электродвигатели имеют эти выступы снаружи (как вы можете видеть на верхнем фото на этой странице), причина в том, что они охлаждают двигатель.

Недостатки

Поскольку скорость асинхронного двигателя зависит от частоты переменного тока, приводящего его в действие, он вращается со скоростью постоянная скорость, если вы не используете частотно-регулируемый привод; Скорость двигателей постоянного тока намного легче контролировать, просто повышая или понижая напряжение питания. Хотя асинхронные двигатели относительно просты, они могут быть довольно тяжелыми и громоздкими из-за их катушечной обмотки. В отличие от двигателей постоянного тока, они не могут работать от батарей или любого другого источника постоянного тока (например, солнечных батарей) без использования инвертора (устройства, которое преобразует постоянный ток в переменный).Это потому, что им нужно изменяющееся магнитное поле, чтобы вращать ротор.

Кто изобрел асинхронный двигатель?

Изображение: оригинальный дизайн Николы Теслы для асинхронного двигателя переменного тока. Он работает точно так же, как и на анимации выше, с двумя синими и двумя красными катушками, поочередно запитываемыми от генератора справа. Это произведение взято из оригинального патента Tesla, депонированного в Бюро по патентам и товарным знакам США, с которым вы можете ознакомиться в приведенных ниже ссылках.

Никола Тесла (1856–1943) был физиком. и плодовитый изобретатель, чей огромный вклад в науку и технику никогда не были полностью признаны. После того, как он приехал в Соединенные Штаты в возрасте 28 лет, он начал работал на известного пионера электротехники Томаса Эдисона. Но двое мужчин поссорились катастрофически и вскоре стали непримиримыми соперниками. Тесла твердо верил что переменный ток (AC) намного превосходил постоянный ток (DC), в то время как Эдисон думал обратное. Со своим партнером Джорджем Westinghouse, Тесла отстаивал AC, в то время как Эдисон был полон решимости управлять миром на DC и придумал всевозможные рекламные трюки, чтобы доказать, что кондиционер слишком опасен для широкого использования (изобретение электрического стула, чтобы доказать, что переменный ток может быть смертельным, и даже ударил током слона Топси с помощью переменного тока, чтобы показать, насколько это было смертельно опасно и жестоко).Битва между этими двумя очень разные взгляды на электроэнергию иногда называют Войной течений.

Несмотря на лучшие (или худшие) усилия Эдисона, Tesla победила, и теперь электричество переменного тока питает большую часть мира. Во многом именно поэтому многие электродвигатели, которые приводить в действие бытовую технику в наших домах, фабриках и офисах переменного тока асинхронные двигатели, работающие от вращающихся магнитных полей, которые Никола Тесла сконструировал в 1880-х годах (его патент, проиллюстрированный здесь, был выдан в мае 1888 года).Итальянский физик по имени Галилео Феррарис независимо друг от друга придумал ту же идею примерно в то же время, но история обошлась с ним еще более жестоко, чем Тесла и его имя теперь почти забыты.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Для читателей постарше

Для младших читателей

• Электричество для молодых людей: забавные и легкие проекты «Сделай сам» Марка де Винка.Maker Media / O’Reilly, 2017. Отличное практическое введение в электричество, включая несколько занятий, связанных с созданием электродвигателей с нуля. Возраст 9–12 лет.
• Эксперименты с электродвигателем Эда Соби. Enslow, 2011. Это отличное общее введение в электродвигатели с большим количеством более широкого научного и технологического контекста. Однако по очевидным практическим соображениям и соображениям безопасности он ориентирован только на проекты с двигателями постоянного тока и лучше всего подходит для детей в возрасте от 11 до 14 лет.
• Сила и энергия Криса Вудфорда.Факты в файле, 2004. Одна из моих книг, рассказывающих об усилиях человека по использованию энергии с древних времен до наших дней. Возраст 10+.
• Никола Тесла: Разработчик электроэнергии Крис Вудфорд, в изобретателях и изобретениях, том 5. Нью-Йорк: Маршалл Кавендиш, 2008. Краткую биографию Теслы я написал несколько лет назад. На момент написания все, кажется, было доступно в Интернете по этой ссылке Google Книги. Возраст 9–12 лет.

Патенты

Patents предлагает более глубокие технические детали и собственные идеи изобретателя о своей работе.Вот очень небольшая подборка многих патентов США, касающихся асинхронных двигателей.

• Патент США 381 968: Электромагнитный двигатель Николы Тесла, 1 мая 1888 г. Оригинальный патент на асинхронный двигатель переменного тока.
• Патент США 2,959,721: Многофазные асинхронные двигатели, Томас Бартон и др., Lancashire Dynamo & Crypto Ltd, 8 ноября 1960 г. Асинхронный двигатель с улучшенным контролем скорости.
• Патент США 4311932: Жидкостное охлаждение для асинхронных двигателей, Рэймонд Н. Олсон, Sundstrand Corporation, 19 января 1982 г.Эффективный метод жидкостного охлаждения двигателя без чрезмерного сопротивления жидкости вращающимся компонентам.
• Патент США 5,751,082: Асинхронный двигатель с высоким пусковым моментом, разработанный Умешом К. Гупта, Vickers, Inc., 12 мая 1998 г. Современный двигатель с высоким начальным крутящим моментом.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012/2020) Асинхронные двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/induction-motors.html.[Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Асинхронный двигатель

— обзор

Частотно-регулируемые приводы

Асинхронные и синхронные двигатели рассчитаны на определенное соотношение напряжения к частоте ( В, / Гц). Напряжение — это напряжение питания двигателя, а частота — это частота питания. Отношение В, / Гц прямо пропорционально величине магнитного потока в магнитном материале двигателя (пластинах сердечника статора и ротора).Крутящий момент, развиваемый на валу двигателя, пропорционален силе вращающегося потока. Тип и количество магнитного материала, используемого в конструкции двигателя, являются факторами, определяющими номинальную мощность двигателя.

При постоянной частоте питающей сети более высокое напряжение вызывает более высокое отношение В, / Гц и более высокий магнитный поток. При постоянном напряжении питания более низкая частота питания приведет к более высокому соотношению В, / Гц и более высокому потоку. Более высокий магнитный поток увеличивает крутящий момент двигателя. Когда двигатель работает при напряжении В, / Гц, превышающем номинальное, возникает перенапряжение, которое может вызвать насыщение статора и магнитного сердечника ротора.Насыщение вызывает перегрев и может привести к отказу двигателя. Когда двигатель работает при напряжении В / Гц ниже номинального, магнитный поток уменьшается. Уменьшение магнитного потока снижает крутящий момент и влияет на способность двигателя выдерживать нагрузку.

Когда двигатели питаются напрямую от электросети, частота питающей сети постоянна, а напряжение и ток изменяются во время запуска двигателя. Во время разгона двигателя до синхронной скорости (синхронные двигатели) или скорости, близкой к синхронной (асинхронные двигатели), ток сначала возрастет в несколько раз по сравнению с номинальным током и вызовет падение напряжения.Более низкое напряжение при постоянной частоте питания означает более низкое соотношение В, / Гц и меньший магнитный поток, который влияет на крутящий момент. Как только двигатель ускоряется, напряжение восстанавливается до значения, близкого к номинальному, а крутящий момент на валу двигателя достигает номинального значения. В этом случае скорость двигателя будет постоянной и синхронной (синхронные двигатели) или близкой к синхронной (асинхронные двигатели). Если двигатели подключены напрямую к электросети, скорость определяется фиксированной частотой сети и не может контролироваться.Для управления скоростью при необходимости используются дополнительные механические системы: демпферы, клапаны, коробки передач, тормоза и т. Д. Механические системы снижают общую эффективность системы. Кроме того, как объяснялось ранее, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность, поэтому поддержание коэффициента мощности может быть проблемой для асинхронных двигателей. Синхронные двигатели не вызывают проблем с коэффициентом мощности, они действительно могут помочь.

Существует четыре категории проблем с двигателями, подключенными непосредственно к сети электропитания: высокий пусковой ток, контроль крутящего момента, контроль скорости и коэффициент мощности (только для асинхронных двигателей).Одним из эффективных способов решения проблем является использование частотно-регулируемых приводов. При использовании частотно-регулируемых приводов питание привода осуществляется от сети, а питание двигателя — от привода.

ЧРП

управляют скоростью и крутящим моментом двигателя, управляя частотой и величиной напряжений и токов, подаваемых на двигатель. Каждый частотно-регулируемый привод имеет три секции: выпрямитель, фильтр с накопителем энергии и инвертор. Типичная концептуальная конфигурация показана на рис. 7.22.

Рис. 7.22. Типичная конфигурация ЧРП.

Выпрямитель берет синусоиду фиксированной частоты и величины напряжения из сети и выпрямляет ее в форму сигнала постоянного тока.

Фильтр принимает форму сигнала постоянного тока от выпрямителя и обеспечивает почти чистый линейный постоянный ток. Накопитель энергии используется для поддержания мгновенного энергетического баланса. Если при сбалансированной трехфазной нагрузке общая мощность остается постоянной от момента к моменту, а с идеальным преобразователем, накопление энергии не потребуется. На практике преобразователям требуется накопитель энергии для хранения энергии, достаточной для питания двигателя в течение коротких интервалов, когда мощность нагрузки превышает входную мощность.Конденсаторы и индукторы используются для хранения энергии.

Инвертор преобразует мощность постоянного тока обратно в переменный ток через набор электронных переключателей (MOSFET (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор), IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), IGCT (встроенный тиристор с коммутацией затвора), GTO (затвор) отключающий тиристор) и др.). Эти переключатели, открывая и закрываясь с определенной скоростью и продолжительностью, могут инвертировать постоянный ток и воссоздавать выходные токи и формы сигналов напряжения, имитирующие синусоидальные формы сигналов переменного тока.Затем двигатель получает питание от выхода инвертора.

Формы выходных сигналов представляют собой сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Они называются сигналами ШИМ, потому что они создаются несколькими импульсами переключателей с короткими интервалами. Величину и частоту сигналов напряжения ШИМ можно регулировать. Изменяя время, импульсы и какие переключатели срабатывают, частота может быть увеличена или уменьшена. Изменяя ширину и длительность импульсов, можно увеличивать и уменьшать среднее напряжение двигателя.Типичная форма сигнала ШИМ с аппроксимируемой синусоидой показана на рис. 7.23.

Рис. 7.23. Типичная форма сигнала ШИМ с аппроксимируемой синусоидой.

При использовании в качестве примера асинхронного двигателя асинхронный двигатель может эффективно работать только при скорости, близкой к синхронной скорости вращающегося поля. Управление скоростью требует непрерывного изменения скорости вращающегося поля, что требует изменения частоты.

Когда выходное напряжение инвертора на каждой выходной частоте инвертора регулируется таким образом, чтобы соотношение В, / Гц поддерживалось постоянным до номинальной скорости, можно получить семейство кривых крутящего момента-скорости, аналогичных рис.7.24.

Рис. 7.24. VFD Поставляемая кривая крутящего момента асинхронного двигателя с изменением частоты и напряжения и постоянным соотношением В / Гц.

Точка «a» на рис. 7.24 соответствует крутящему моменту без нагрузки и скорости без нагрузки при частоте питания инвертора 25 Гц. От без нагрузки в точке «a» до полной нагрузки в точке «b» скорость немного снизится. Если требуется поддерживать постоянную скорость из точки «а», регулятор частотно-регулируемого привода повысит частоту, так что рабочая точка при полной нагрузке переместится в точку «с».”Управление частотно-регулируемым приводом также будет повышать напряжение пропорционально увеличению частоты, чтобы поддерживать постоянное соотношение В, / Гц при полной нагрузке и, таким образом, поддерживать крутящий момент при полной нагрузке.

Из рис. 7.24 видно, что момент отрыва постоянен во всех точках ниже номинальной скорости, за исключением низких частот. На низких частотах тяговый момент снижается из-за сопротивления статора. Когда частота приближается к нулю, падение напряжения из-за сопротивления статора становится важным, и уменьшение магнитного потока, вызывающее уменьшение крутящего момента, становится заметным.Этот эффект известен и легко смягчается с помощью низкоскоростного повышения напряжения: увеличения отношения В, / f на низких частотах для восстановления магнитного потока. На рис. 7.25 показан типичный набор кривых крутящий момент-скорость для привода с повышением напряжения на низкой скорости.

Рис. 7.25. График зависимости крутящего момента от частоты вращения асинхронного двигателя с частотно-регулируемым приводом с изменением напряжения и частоты, постоянное соотношение В, / Гц до номинальной скорости и повышение напряжения на низкой скорости.

При превышении номинальной скорости соотношение В, / Гц больше не может поддерживаться постоянным, поскольку напряжение не может превышать номинальное напряжение двигателя, чтобы избежать пробоя изоляции двигателя.Увеличение частоты сверх номинальной частоты возможно и приведет к более высокой скорости, но при сохранении напряжения на уровне номинального напряжения и, следовательно, уменьшении отношения В к / Гц, плотность магнитного потока и крутящий момент уменьшатся.

Преимущество двигателей, поставляемых с частотно-регулируемым приводом, заключается в том, что двигатель может обеспечивать одинаковый максимальный крутящий момент от нулевой до номинальной скорости. Эта область характеристики крутящий момент-скорость двигателя называется областью «постоянного крутящего момента». Непрерывная работа с максимальным крутящим моментом на практике не выполняется из-за тепловых ограничений.Верхний предел крутящего момента, равный номинальному крутящему моменту двигателя, обычно устанавливается в контроллере.

С двигателями, поставляемыми с частотно-регулируемым приводом, и их наличием высокого крутящего момента на низких скоростях можно избежать проблем пуска, общих для операций с фиксированной частотой (начальное высокое скольжение, высокий пусковой ток, падение напряжения и уменьшение крутящего момента). Двигатель с ЧРП запускается с низкой частоты, которая постепенно увеличивается. Скорость скольжения ротора всегда мала, и ротор непрерывно работает с оптимальным крутящим моментом.Номинальный крутящий момент доступен на низких скоростях, а пусковой ток не превышает номинального тока полной нагрузки. Двигатель может запускаться от недельной сети электроснабжения, не вызывая нарушений напряжения в питающей сети.

Как упоминалось ранее, двигатель с частотно-регулируемым приводом может развивать любой крутящий момент до номинального крутящего момента на любой скорости вплоть до номинальной. Эта область называется областью «постоянного крутящего момента». При превышении номинальной скорости В / Гц будет снижаться, поскольку напряжение остается постоянным при номинальном напряжении двигателя, ток статора и ротора также остаются постоянными, а скорость и частота увеличиваются, поэтому плотность магнитного потока будет уменьшаться, а крутящий момент будет уменьшаться обратно пропорционально Частота.Эта область характеристики крутящий момент-скорость двигателя называется областью «постоянной мощности». Область постоянной мощности примерно в два раза превышает номинальную скорость. За пределами области постоянной мощности находится область высоких скоростей, где предел тока совпадает с пределом крутящего момента отрыва, который уменьшается обратно пропорционально квадрату частоты, поэтому постоянная мощность не может поддерживаться дальше. Области постоянного крутящего момента, постоянной мощности и высокой скорости показаны на рис. 7.26.

Рис. 7.26. ЧРП предоставил кривую крутящего момента-скорости асинхронного двигателя в области постоянного крутящего момента, постоянной мощности и высокой скорости.

В двигателях с ЧРП важно отметить, что кривые крутящий момент-скорость показывают крутящий момент, который двигатель может создать для каждой частоты, но не то, как долго и может ли двигатель работать в каждом состоянии непрерывно. Если в приложении с двигателем, поставляемым с частотно-регулируемым приводом, используется стандартный асинхронный двигатель, необходимо учитывать ограничения по нагреву. Стандартный промышленный двигатель обычно заключен в корпус с установленным на внешнем валу вентилятором, который обдувает воздухом внешний корпус с оребрениями. Стандартная конструкция и охлаждение двигателя предназначены для непрерывной работы при фиксированной частоте и номинальной скорости, подаваемой в сеть.Когда стандартный промышленный двигатель работает, подключенный к ЧРП, который производит низкую частоту и запускает двигатель на низкой скорости, охлаждение двигателя становится проблемой. Двигатель будет способен создавать номинальный крутящий момент на низкой скорости, но в этих условиях он будет работать при более высоких температурах, что может существенно повлиять на срок службы двигателя или вызвать перегрев и отказ двигателя.

Когда двигатель используется в приложениях с частотно-регулируемым приводом, важно указать сценарии работы, соответствующим образом спроектировать охлаждение и использовать двигатели, подходящие для работы с инвертором.

Помимо охлаждения, при использовании двигателей с частотно-регулируемым приводом при проектировании необходимо учитывать и другие факторы, такие как влияние гармоник от частотно-регулируемого привода на сеть, конфигурация кабеля и размер кабеля от частотно-регулируемого привода к двигателю и т. Д. .

Эквивалентная схема

асинхронного двигателя — цепь ротора и статора

Эквивалентная схема асинхронного двигателя обеспечивает рабочие характеристики, которые оцениваются для установившихся условий. Асинхронный двигатель основан на принципе индукции напряжений и токов.Напряжение и ток индуцируются в цепи ротора из цепи статора для работы. Эквивалентная схема асинхронного двигателя аналогична схеме замещения трансформатора.

В комплекте:

Модель цепи статора

Модель цепи статора асинхронного двигателя состоит из сопротивления фазной обмотки статора R ₁ , реактивного сопротивления утечки фазы статора X ₁ , как показано на принципиальной схеме ниже:

Ток холостого хода I ₀ моделируется чисто индуктивным реактором X ₀ с намагничивающей составляющей I _µ и неиндуктивным резистором R ₀ , несущим ток потерь в сердечнике I _ω .Таким образом,

Полный ток намагничивания I ₀ в случае асинхронного двигателя значительно больше, чем у трансформатора. Это связано с более высоким сопротивлением, вызванным воздушным зазором асинхронного двигателя. Как мы знаем, в трансформаторе ток холостого хода изменяется от 2 до 5% номинального тока, тогда как в асинхронном двигателе ток холостого хода составляет примерно 25-40% номинального тока в зависимости от от размера мотора.Значение намагничивающего реактивного сопротивления X ₀ также очень мало в асинхронном двигателе.

Цепь ротора

Модель

Когда на обмотки статора подается трехфазное питание, в обмотках ротора машины индуцируется напряжение. Чем больше будет относительное движение ротора и магнитных полей статора, тем больше будет результирующее напряжение ротора. Наибольшее относительное движение происходит в состоянии покоя. Это состояние также известно как состояние заблокированного ротора или заблокированного ротора.Если индуцированное напряжение ротора в этом состоянии составляет E ₂₀ , то индуцированное напряжение при любом скольжении определяется уравнением, показанным ниже:

Сопротивление ротора постоянно и не зависит от скольжения. Реактивное сопротивление асинхронного двигателя зависит от индуктивности ротора и частоты напряжения и тока в роторе.

Если L ₂ — индуктивность ротора, реактивное сопротивление ротора определяется уравнением, показанным ниже:

Но, как известно,

Следовательно,

Где X ₂₀ — реактивное сопротивление ротора в состоянии покоя.

Схема ротора показана ниже:

Импеданс ротора определяется следующим уравнением:

Ток ротора по фазе определяется уравнением, показанным ниже:

Здесь I ₂ — ток частоты скольжения, создаваемый напряжением, индуцированным частотой скольжения sE ₂₀ , действующим в цепи ротора, имеющим полное сопротивление на фазу (R ₂ + jsX ₂₀ ).

Теперь, разделив уравнение (5) на промах s, мы получим следующее уравнение:

R ₂ — это постоянное сопротивление и переменное реактивное сопротивление утечки sX ₂₀ .Аналогично, схема ротора, показанная ниже, имеет постоянное реактивное сопротивление рассеяния X ₂₀ и переменное сопротивление R ₂ / с.

Уравнение (6) выше объясняет вторичную цепь воображаемого трансформатора с постоянным соотношением напряжений и одинаковой частотой на обеих сторонах. Этот воображаемый неподвижный ротор проводит тот же ток, что и действительный вращающийся ротор. Это позволяет передавать полное сопротивление вторичного ротора на сторону первичного статора.

Примерная эквивалентная схема асинхронного двигателя

Эквивалентная схема дополнительно упрощается за счет смещения ветвей полного сопротивления шунта R ₀ и X ₀ на входные клеммы, как показано на принципиальной схеме ниже:

Примерная схема основана на предположении, что V ₁ = E ₁ = E ’ ₂ .В приведенной выше схеме единственный компонент, который зависит от скольжения, — это сопротивление. Все остальные количества постоянны. Следующие уравнения могут быть записаны на любом заданном бланке s следующим образом:

Импеданс за пределами AA ’определяется как:

Подставляя значение ZAA ’из уравнения (7) в уравнение (8), получаем

Следовательно,

Ток холостого хода I ₀ —

Полный ток статора определяется уравнением, показанным ниже:

Общие потери в сердечнике рассчитываются по приведенному ниже уравнению:

Мощность воздушного зазора на фазу определяется как: развиваемый крутящий момент определяется уравнением, приведенным ниже:

Приведенное выше уравнение является уравнением крутящего момента асинхронного двигателя.Приблизительная модель эквивалентной схемы является стандартом для всех расчетов производительности асинхронного двигателя.

Скольжение в электрических асинхронных двигателях

Асинхронный двигатель переменного тока (переменного тока) состоит из статора и ротора, и взаимодействие токов, протекающих в стержнях ротора, и вращающегося магнитного поля в статоре создает крутящий момент, который вращает двигатель. При нормальной работе с нагрузкой скорость ротора всегда отстает от скорости магнитного поля, позволяя стержням ротора разрезать магнитные силовые линии и создавать полезный крутящий момент.

Разница между синхронной скоростью магнитного поля электродвигателя и скоростью вращения вала составляет скольжение — измеряется в оборотах в минуту или частоте.

Скольжение увеличивается с увеличением нагрузки, обеспечивая больший крутящий момент.

Обычно скольжение выражается как отношение скорости вращения вала к скорости синхронного магнитного поля.

s = (n _s — n _a ) 100% / n _s (1)

где

s = скольжение

4

4 = синхронная скорость магнитного поля (об / мин, об / мин)

n _a = скорость вращения вала (об / мин, об / мин)

Когда ротор не вращается, скольжение 100% .

Проскальзывание при полной нагрузке варьируется от менее 1% в двигателях с высокой мощностью до более 5–6% в двигателях с малой мощностью.

Размер двигателя (л. 2,5	1,7	0,8

Число полюсов, частоты и скорость синхронного асинхронного двигателя

No.магнитных полюсов	Частота (Гц)
	50	60
2	3000	3600
4	1500	1800543
1000	1200
8	750	900
10	600	720
12	500	600
16	375	450
20	300	360

Пробуксовка и напряжение

Когда двигатель начинает вращаться, скольжение составляет 100% , а ток двигателя максимальный.Скольжение и ток двигателя уменьшаются, когда ротор начинает вращаться.

Частота скольжения

Частота уменьшается при уменьшении скольжения.

Скольжение и индуктивное сопротивление

Индуктивное реактивное сопротивление зависит от частоты и скольжения. Когда ротор не вращается, частота скольжения максимальна, как и индуктивное сопротивление.

Двигатель имеет сопротивление и индуктивность, и когда ротор вращается, индуктивное реактивное сопротивление низкое, а коэффициент мощности приближается к и .

Скольжение и импеданс ротора

Индуктивное реактивное сопротивление будет изменяться с проскальзыванием, поскольку полное сопротивление ротора является суммой фаз постоянного сопротивления и переменного индуктивного реактивного сопротивления.

Когда двигатель начинает вращаться, индуктивное сопротивление велико, а полное сопротивление в основном индуктивное. Ротор имеет низкий коэффициент мощности. Когда скорость увеличивается, индуктивное реактивное сопротивление уменьшается до уровня сопротивления.