Методическая разработка урока по дисциплине электротехника «устройство и принцип действия асинхронного двигателя»

Принцип работы

При подведении напряжения к неподвижным обмоткам трехфазного мотора асинхронного типа в фазах формируется магнитное переменное поле. Поток изменяется в соответствии с частотой подведенного тока. Поскольку в конструкции узла использованы 3 катушки, то сформированные потоки имеют смещение по времени и пространству на 120°. Итоговый индукционный поток вращается, пересекая центральный подвижный сердечник и обеспечивая наводку разницы потенциалов в коротко замкнутых проводниках, расположенных в теле ротора.

Поскольку цепи замкнуты, то электродвижущая сила формирует ток, вступающий во взаимодействие с подвижным магнитным полем от намотки статора. В результате искажения поля формируется крутящий момент, стремящийся провернуть вал в сторону движения магнитной индукции от неподвижной обмотки. Нарастающий крутящий момент преодолевает силы торможения ротора (из-за веса детали, приложенной внешней нагрузки и силы трения в подшипниковых опорах), что приводит к началу раскрутки вала двигателя.

https://youtube.com/watch?v=uXwamyaiUKo%3Frel%3D0

Понятие скольжения

Параметр выражается в процентном соотношении и используется при оценке эффективности работы силового привода. В момент пуска значение равно 100%, но по мере раскручивания вала параметр начинает снижаться. Одновременно уменьшаются значения электродвижущей силы и тока, наводимых в витках ротора, что ведет к падению кривой крутящего момента.

На холостом ходу (без приложения нагрузки) значение скольжения достигает минимального значения, но по мере приложения статической нагрузки параметр увеличивается (из-за замедления периодичности вращения вала электромотора). При превышении критического значения возникает эффект опрокидывания мотора, приводящий к нестабильной работе устройства. Процесс изменения скольжения прекращается при уравновешивании электромагнитного момента статора тормозным усилием, приложенным к валу машины.

Что такое асинхронный двигатель

Асинхронный электродвигатель представляет собой машину, преобразующую электрическую энергию в механическую. Агрегат состоит из металлического немагнитного корпуса цилиндрической конфигурации, на внешней поверхности которого расположены ребра для охлаждения. Внутри кожуха находится обмотка, подключаемая к бытовой или промышленной сети переменного тока. С торцов корпус закрыт крышками, в которых предусмотрены постели для подшипниковых опор. Могут использоваться подшипники качения или скольжения с ручной или автоматической подачей масла.

Ротор, изготовленный из электротехнической стали установлен на подшипниках, обеспечивающих снижение трения и поддерживающих равномерный интервал между внешней поверхностью детали и внутренней плоскостью статора. В схеме узла предусмотрена обмотка (короткозамкнутого или фазного типа). В короткозамкнутых конструкциях отсутствуют коллектор и щетки, что увеличило надежность мотора. В фазных предусмотрено использование коллекторного узла, что позволяет повысить пусковой вращающий момент.

Устройство асинхронного двигателя.

Что это такое

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя довольно прост. На обмотку статора подается питающее напряжение, которое создает магнитный поток, в каждой фазе он будет смещен на 120 градусов. При этом суммирующий магнитный поток будет вращающимся.

Обмотка ротора является замкнутым контуром, в ней наводится ЭДС и возникающий магнитный поток придает вращение ротору, в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора.

Величина определяющая разность скоростей вращения магнитных полей ротора и статора, называется скольжение. Так как ротор асинхронного двигателя всегда вращается медленнее, чем поле статора — оно обычно меньше единицы. Может измеряться в относительных единицах или процентах.

Высчитывается она по формуле:

где n1— это частота вращения магнитного поля, n2 – частота вращения магнитного поля ротора.

Скольжение, это важная характеристика, характеризующая нормальную работу асинхронного электродвигателя.

Устройство асинхронного двигателя

Корпус мотора отличается из серого чугуна или алюминиевого сплава, встречаются стальные конструкции сварного типа. Поскольку при прохождении тока через катушки происходит нагрев деталей, то на поверхности кожуха предусматриваются продольные ребра, обеспечивающие повышенный теплообмен. Внутренняя поверхность корпуса предназначена для установки сердечника статора, который установлен с натягом и дополнительно закреплен резьбовыми соединениями.

Сердечник собирается из деталей, полученных методом штамповки из листов электротехнической стали толщиной до 0,5 мм. Заготовки покрываются слоем специального лака, а затем соединяются в пакеты. Для фиксации элементов используются заклепки, скобы или сварка. Конструкция сердечника обеспечивает снижение вихревых токов, формирующихся при перемагничивании узла вращающимся магнитным полем. В конструкции пакета предусмотрены пазы, в которые укладываются витки провода, соединенные между собой на торцевых кромках (за пределами сердечника).

Элементы не имеют диэлектрического покрытия, поскольку генерируемые вихревые токи имеют небольшую частоту. Ось имеет поверхности, предназначенные для установки внутренних колец подшипников качения. Внешние концы вала нужны для установки шкивов или иных приспособлений для передачи крутящего момента. На тыловой части оси устанавливается вентилятор, обеспечивающий дополнительное охлаждение двигателя.

Конструкция асинхронного электродвигателя.

Условия для получения вращающегося магнитного поля

В пособиях по теории электродвигателей указываются следующие условия для получения магнитного поля:

  • применение 2 и более неподвижных обмоток;
  • обеспечение смещения фаз тока в каждой из катушек;
  • смещение осей катушек в пространстве.

Угол смещения зависит от количества пар полюсов. В простейшей трехфазной машине с единой парой контактов угол сдвига составляет 120°. Введение дополнительной пары полюсов обеспечивает уменьшение угла до 60°. Каждая последующая пара контактных элементов приводит к корректировке значения угла в 2 раза.

Получение вращающегося электромагнитного поля.

Когда возникает электромагнитный момент

Электромагнитный вращающий момент создается в результате взаимодействия тока, наведенного в подвижной части асинхронной машины, с совершающим вращательное движением магнитным полем от неподвижных катушек. Значения момента находится в пропорциональной зависимости от мощности электрических потерь в роторе. При расчете момента учитывается ряд параметров (например, напряжение в цепи питания и частота тока), которые не меняются в процессе работы электрической машины. В формуле присутствует коэффициент скольжения, оказывающий влияние на момент.

Его зависимость от скольжения

Кривая зависимости момента от коэффициента скольжения называется механической характеристикой асинхронного электродвигателя. Кривая состоит из участка генераторного режима, двигательного сектора и тормозного участка. Пик крутящего момента соответствует критическому значению скольжения, причем значение момента в режиме генератора выше аналогичного параметра в двигательном состоянии.

Тормозные режимы

При работе асинхронной силовой машины существует 4 режима торможения. Рекуперативное замедление возможно при частоте вращения вала двигателя больше скорости вращения электромагнитного поля. Ситуация разгона вала происходит при спуске груза на лебедке, образующиеся излишки электромагнитной мощности возвращаются во внешнюю сеть. Динамическое торможение осуществляется путем подачи постоянного напряжения на неподвижные катушки, которое вызывает формирование неподвижного поля, замедляющего вращение вала.

Конденсаторное замедление осуществляется путем подключения емкостей к неподвижным обмоткам. Излишки энергии преобразуются в электричество, теряющееся в подвижном элементе двигателя. Методика применяется для установок мощностью до 5 кВт. Замедление противовключением подразумевает изменение чередования фаз, что позволяет резко остановить ротор. Магнитные потоки вращаются в противоположных направлениях, что приводит к увеличению коэффициента скольжения до значения более единицы.

https://youtube.com/watch?v=bxbqSMdPh1Y%3Frel%3D0

Типы двигателей

Основные типы двигателей асинхронного типа:

  1. Мотор однофазного типа, оборудованный ротором с короткозамкнутой намоткой. В конструкции статора предусмотрена рабочая намотка для 1-й фазы, но для раскрутки вала двигателя используется пусковой элемент. Дополнительные витки провода подключаются через конденсатор или катушку индуктивности. Схема коммутации обеспечивает сдвига фаз, позволяющий провернуть стальной ротор.
  2. Двигатель двухфазного или конденсаторного типа, отличающийся повышенной эффективностью при коммутации к бытовой сети переменного тока напряжением 220 В. В конструкции статора предусмотрены 2 катушки, смонтированные под углом 90°. Первичная намотка коммутируется к сети напрямую, а вторичная подсоединяется через емкость, обеспечивающую смещение фазы.
  3. Агрегат трехфазного типа оборудован 3 неподвижными обмотками, установленными через 120°. После подачи напряжения формируется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее поворот вала с короткозамкнутыми витками провода. Выводы статора соединяются “звездой” или “треугольником”, что допускает применение электромотора при напряжении 220 или 380 В. Изделия подобной конструкции используются в станках и грузоподъемных механизмах.
  4. Трехфазная машина с фазной обмоткой оснащается подвижным ротором с сердечником с пазами, в который уложены витки медного провода. В остальных конструкциях в сердечнике находятся алюминиевые элементы. Концы проводки, соединенной “звездой” выведены на коллекторные кольца, которые изолированы от стальной оси двигателя. При помощи щеток на кольца подается переменное напряжение, обеспечивающее при пуске увеличенный крутящий момент. Устройства используются в механизмах, включаемых под нагрузкой (например, лебедки лифтов).

Однофазный двигатель.

Существуют моторы с питанием роторных катушек при помощи несимметричного раствора щеток. В конструкции подвижного элемента установлены 2 катушки, которые подключены к внешней сети и к вторичной неподвижной намотке на статоре. Конструкция позволяет регулировать частоту вращения, но отличается повышенной сложностью и требует регулярного обслуживания.

Процессы в асинхронной машине

Основные процессы, протекающие в электродвигателе асинхронного типа:

  1. Сформированное неподвижными катушками статора индукционное поле совершает вращательное движение относительно покоящегося корпуса мотора, способствуя наведению разницы потенциалов в проводниках, установленных в роторе. Параметр зависит от количества витков провода в катушке, частоты тока и значения магнитного поля. В расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, учитывающий потери внутри катушек.
  2. Фаза неподвижной катушки находится в состоянии электрического равновесия, описываемого уравнением. При расчете учитываются значения напряжения во внешней сети и на входе в обмоточный провод, также на расчет оказывает влияние активное и индуктивное сопротивления катушек и сила тока в цепи. Формирующийся магнитный поток находится в зависимости от напряжения в катушках и частоты электрического тока, но на него не влияют режимы работы или замедляющий момент, приложенный к валу электродвигателя.
  3. В неподвижной роторной части частота наведенной электродвижущей силы соответствует частоте внешнего источника питания. По мере увеличения частоты вращения происходит корректировка частоты ЭДС пропорционально корректировке величины скольжения. Максимальное значение частоты достигается в момент начала вращения вала. Напряжение электродвижущей силы изменяется аналогично. Соотношение ЭДС в неподвижных катушках и в проводниках ротора называется коэффициентом трансформации.
  4. Важным эксплуатационным параметром является сила тока в подвижной части, которая зависит от индуктивного и активного сопротивлений, связанных с потоком рассеяния и тепловыми потерями внутри проводников. По мере увеличения скольжения машины происходит нарастание силы тока, кривая отстает от графика изменения значения напряжения электродвижущей силы.
  5. Поскольку ротор оборудован несколькими витками проводки, то при наведении тока образуется вращающееся поле. Периодичность вращения индукции от подвижных катушек равняется периодичности вращения поля неподвижных обмоток. За счет этого эффекта достигается неподвижность индукционных потоков относительно друг друга, что позволяет использовать для расчета параметров асинхронного оборудования законы и формулы, выведенные для трансформаторов.

Асинхронная машина схема.

Ссылка на основную публикацию