Асинхронний двигун: принцип роботи і пристрій
З усього спектра випускаються в даний час електричних моторів найбільше поширення отримав двигун асинхронний трифазний. Практично половина виробленої у світі електроенергії використовується саме цими машинами. Вони широко застосовуються в металообробної та деревообробної промисловості. Асинхронний двигун незамінний на фабриках і насосних станціях. Без таких машин не обійтися і в побуті, де вони використовуються і в іншій домашній техніці, і в ручному електроінструменті.
Область застосування цих електричних машин розширюється з кожним днем, так як удосконалюються і самі моделі, і використовуються для їх виготовлення матеріали.
Які ж основні частини цієї машини
Розібравши двигун асинхронний трифазний, можна спостерігати два головні елементи.
1. Статор.
2. Ротор.
Одна з найважливіших деталей - статор. На фото зверху ця частина двигуна розташована зліва. Він складається з наступних основних елементів:
1. Корпус. Він необхідний для з'єднання всіх деталей машини. Якщо двигун невеликий, то корпус виготовляють суцільнолитим. Як матеріал використовують чавун. Застосовуються також сталь або сплави алюмінію. Іноді корпус малих двигунів поєднує функції сердечника. Якщо ж двигун має великі розміри і потужність, то корпус зварюють з окремих частин.
2. Сердечник. Цей елемент двигуна запресовується в корпус. Служить він для поліпшення якостей магнітної індукції. Виконується сердечник з пластин електричної сталі. Для того щоб знизити втрати, неминучі при появі вихрових струмів, кожна пластина покривається шаром спеціального лаку.
3. Обмотка. Вона розміщується в пазах сердечника. Складається з витків мідного дроту, які збираються в секції. Сполучені в певній послідовності, вони утворюють три котушки, які в сукупності є обмоткою статора. Підключається вона безпосередньо до мережі, тому називається первинною.
Ротор - це рухома частина двигуна. На фото він знаходиться праворуч. Служить він для перетворення сили магнітних полів в механічну енергію. Складається ротор асинхронного двигуна з наступних деталей:
1. Вал. На хвостовиках його закріплені підшипники. Вони запресовуються в щити, що кріпляться болтами до торцевих стінок коробки статора.
2. Сердечник, який збирається на валу. Складається з пластин спеціальної сталі, що володіє таким цінним властивістю, як низький опір магнітних полів. Сердечник, володіючи формою циліндра, і є основою для укладання обмотки якоря. Роторна, або, як її ще називають, вторинна обмотка отримує енергію завдяки магнітному полю, яке з'явилося навколо котушок статора при проходженні по них електричного струму.
Двигуни по типу виготовлення рухомої частини
Розрізняють двигуни:
1. Мають короткозамкненим обмотку ротора. Один з варіантів виконання цієї деталі показаний на малюнку.
Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором має обмотку, зроблену з алюмінієвих стрижнів, які розташовуються в пазах сердечника. У торцевій частині вони замкнуті кільцями накоротко.
2. Електродвигуни, що мають ротор, виготовлений з контактними кільцями.
У обох типів асинхронних двигунів конструкція статора однакова. Відрізняються вони лише виконанням якоря.
Який же принцип роботи
Якір трифазного асинхронного двигуна, сповнений подібним чином, приводиться в обертання завдяки ефекту виникнення змінного магнітного поля в статорних котушках. Щоб зрозуміти, яким чином це відбувається, необхідно згадати фізичний закон самоіндукції. Він говорить, що навколо провідника, по якому проходить потік заряджених частинок, виникає магнітне поле. Величина його буде прямо пропорційна індуктивності проводу та інтенсивності протікає в ньому потоку заряджених частинок. Крім того, це магнітне поле формує силу з певною спрямованістю. Саме вона нас і цікавить, так як є причиною обертання ротора. Для ефективної роботи двигуна необхідно мати потужний магнітний потік. Створюється він завдяки спеціальному способом монтажу первинної обмотки.
Відомо, що джерело живлення має змінну напругу. Отже, магнітне поле навколо статора буде мати таку ж характеристику, безпосередньо залежну від зміни струму в прямому мережі. Примітно те, що кожна фаза зміщена одна відносно іншої на 120 ?.
Що відбувається в обмотці статора
Кожна фаза мережі живлення підключається до відповідної котушці статора, тому що виникає навколо них магнітне поле буде зміщено на 120 ?. Джерело живлення має змінну напругу, отже, навколо котушок статора, якими володіє асинхронний двигун, виникатиме змінне магнітне поле. Схема асинхронного двигуна збирається так, щоб магнітне поле, що виникає навколо котушок статора, поступово змінювалося і послідовно переходило від однієї обмотки до іншої. Таким чином створюється ефект обертового магнітного поля. Можна обчислити його частоту обертання. Вимірюватися вона буде в оборотах за хвилину. Визначається за формулою: n = 60f / p, де f - це частота змінного струму в підключеної мережі (Гц), p - відповідає числу пар полюсів, змонтованих на статорі.
Як працює ротор
Тепер необхідно розглянути, які процеси виникають у вторинній обмотці. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором має конструкційну особливість. Справа в тому, що до його якірної обмотці напругу не підводиться. Воно там виникає завдяки магнітоіндукційні зв'язку з первинної обмоткою. Тому й відбувається процес, зворотний тому, що спостерігався в статорі, відповідно до закону, який свідчить, що при перетині провідника, а в нашому випадку це короткозамкнутая обмотка ротора, магнітним потоком в ньому виникає електричний струм. Звідки береться магнітне поле? Воно виникло навколо первинної котушки при підключенні трифазного джерела живлення.
З'єднаємо статор і ротор. Що вийде?
Таким чином, маємо асинхронний короткозамкнений двигун з ротором, в обмотці якого проходить електричний струм. Він і буде причиною виникнення магнітного поля навколо якірної обмотки. Однак полярність цього потоку буде відрізнятися від створеного статором. Відповідно, і сила, утворена їм, буде вступати в протидію з тією, яка викликана магнітним полем первинної обмотки. Це і приведе в рух ротор, так як на ньому зібрана вторинна котушка, і хвостовики вала якоря закріплені в корпусі двигуна на підшипниках.
Розглянемо ситуацію взаємодії сил, що виникають від магнітних полів статора і ротора, з плином часу. Знаємо, що магнітне поле первинної обмотки обертається і володіє певною частотою. Створена ним сила буде переміщатися, маючи аналогічну швидкість. Це змусить асинхронний двигун заробити. І його ротор буде вільно обертатися навколо осі.
Ефект ковзання
Ситуація, коли силові потоки ротора як би відштовхуються від обертового магнітного поля статора, отримала назву ковзання. Слід зазначити, що частота асинхронного двигуна (n1) завжди менше тієї, з якою переміщається магнітне поле статора. Пояснити це можна так. Щоб у роторної обмотці виник струм, вона повинна бути пересічена магнітним потоком з певною кутовою швидкістю. І тому справедливе твердження, що швидкість обертання валу більше або дорівнює нулю, але менше інтенсивності переміщення магнітного поля статора. Ротор має частоту обертання, залежну від сили тертя в підшипниках, а також від величини відбору потужності з валу ротора. Тому він як би відстає від магнітного поля статора. Саме через це частота називається асинхронної.
Таким чином, електроенергія живильного джерела перетворилася в кінетичну енергію обертового вала. Швидкість його обертання прямо пропорційна частоті струму мережі живлення і кількості пар полюсів статора. Для збільшення частоти обертання якоря можна використовувати частотні перетворювачі. Однак робота цих пристроїв повинна бути узгоджена з кількістю пар полюсів.
Як підключити двигун до джерела живлення
Щоб здійснити пуск асинхронного двигуна, його необхідно підключити до мережі трифазного струму. Схема асинхронного двигуна збирається двома способами. На малюнку показана схема з'єднання висновків двигуна, в якій статорні обмотки зібрані способом «зірка».
На цьому малюнку зображений інший спосіб з'єднання, іменований «трикутник». Збираються схеми в клемної коробки, закріпленої на корпусі.
Слід знати, що почала кожній з трьох котушок, їх ще називають обмотками фаз, іменуються С1, С2, С3 відповідно. Аналогічно підписуються кінці, які мають назви С4, С5, С6. Якщо в клемної коробки немає маркування висновків, то початку і кінці доведеться визначити самостійно.
Як зробити реверс
При виникненні потреби здійснити пуск асинхронного двигуна, змінивши напрямок обертання якоря, треба просто поміняти місцями два дроти підключається джерела трифазного напруги.
Однофазний асинхронних двигунів
У побуті проблематично використовувати трифазні двигуни через відсутність необхідного джерела напруги. Тому існує однофазний асинхронний двигун. Він також має статор, але з істотним конструкційним відзнакою. Воно полягає в кількості і способі розташування обмоток. Це визначає і схему запуску машини.
Якщо однофазний асинхронний двигун має статор з двома обмотками, то розташовані вони будуть зі зміщенням по колу під кутом в 90 ?. Котушки називаються пускової і робочої. З'єднуються вони паралельно, але, щоб створити умови для появи обертається магнітного поля, додатково вводиться активний опір або конденсатор. Це створює зсув фаз струмів обмоток, близьке до 90 ?, завдяки чому створюється умова для утворення обертового магнітного поля.
Якщо статор має тільки одну котушку, то підключений до неї однофазний джерело живлення буде причиною пульсуючого магнітного поля. У замкнутій накоротко обмотці ротора з'явиться змінний струм. Він стане причиною виникнення свого магнітного потоку. Результуюча двох утворилися сил буде дорівнює нулю. Тому для запуску двигуна, що має таку конструкцію, потрібен додатковий поштовх. Створити його можна, підключивши конденсаторну схему пуску.
Підключити двигун до однофазної ланцюга
Виготовлений для роботи від трифазного джерела живлення електромотор може працювати і від домашньої однофазної мережі, але при цьому істотно знизяться його характеристики, такі як ККД, коефіцієнт потужності. Крім того, знизяться потужність і пускові показники.
Якщо ж без підключення не обійтися, то потрібно з трьох обмоток статора зібрати схему, де їх буде тільки дві. Одна робоча, а інша пускова. Наприклад, є три котушки з початками С1, С2, С3 і кінцями С4, С5, С6 відповідно. Для створення першої (робочої) обмотки двигуна об'єднуємо кінці С5 і С6, а їх початку С3 і С2 підключаємо до джерела однофазного струму, наприклад, побутової мережі 220 вольт. Роль другого, пусковий обмотки, виконуватиме залишаються незадіяними котушка стартера. Вона підключається до джерела живлення через конденсатор, з'єднаний з нею послідовно.
Параметри асинхронного двигуна
При підборі таких машин, а також при подальшій їх експлуатації необхідно враховувати характеристики асинхронного двигуна. Вони бувають енергетичні - це коефіцієнт корисної дії, коефіцієнт потужності. Важливо враховувати й механічні показники. Основним з них вважається залежність між швидкістю обертання валу і робочим зусиллям, що прикладається до нього. Існують ще пускові характеристики. Вони визначають пусковий, мінімальний і максимальний моменти і їх співвідношення. Важливо також знати, який пусковий струм асинхронного двигуна. Для найбільш ефективного використання двигуна необхідно враховувати всі ці параметри.
Не можна залишити без уваги питання енергозбереження. Останнім часом він розглядається не тільки з позиції зменшення експлуатаційних витрат. Економічність електродвигунів знижує рівень екологічних проблем, пов'язаних з виробництвом електроенергії.
Перед виробниками постійно ставляться завдання розробки і випуску енергозберігаючих двигунів, підвищення експлуатаційного ресурсу, зменшення шумового рівня.
Поліпшити енергозберігаючі показники можна шляхом зниження втрат при експлуатації. А вони безпосередньо залежать від робочої температури машини. Крім того, вдосконалення цієї характеристики неминуче призведе до збільшення терміну експлуатації двигуна.
Знизити температуру обмоток можна, застосовуючи вентилятор зовнішнього обдування, закріплений на хвостовику вала ротора. Але це призводить до неминучого підвищення шуму, виробленого двигуном при роботі. Особливо відчутний цей показник при високій швидкості обертання ротора.
Таким чином, видно, що асинхронний двигун має один істотний недолік. Він не здатний підтримувати постійну частоту обертання валу при зростаючих навантаженнях. Зате такий двигун має безліч переваг в порівнянні із зразками електродвигунів інших конструкцій.
По-перше, він має надійну конструкцію. Робота асинхронного двигуна не викликає ніяких складнощів при його використанні.
По-друге, асинхронний двигун економічний у виробництві та експлуатації.
По-третє, ця машина універсальна. Є можливість її використання в будь-яких пристроях, які не вимагають точного підтримки частоти обертання валу якоря.
По-четверте, двигун з асинхронним принципом дії затребуваний і в побуті, отримуючи живлення тільки від однієї фази.
