Що таке асинхронний двигун і як він працює
Асинхронний двигун простий і надійний і від цього дуже часто використовується на виробництві та в побутовій техніці, від приводу засувок до обертання барабана в пральній машині. У цій статті ми простими словами розповімо про те які бувають асинхронні електродвигуни, що це таке і як працює даний тип електричних машин. Асинхронні двигуни (АД) діляться на дві основні групи:- з короткозамкненим ротором (КЗ);
- з фазним ротором.
- за кількістю живлячих фаз – однофазні і двофазні (використовуються в побуті при харчуванні від мережі 220В), і трифазні (набули найбільшого поширення на виробництві та в майстернях).
- за способом кріплення – фланцеве або на лапах.
- по режиму роботи – для тривалого, короткочасного або повторно-короткочасного режиму.
Пристрій
За визначенням «асинхронним» називають двигун змінного струму, у якого ротор обертається повільніше ніж магнітне поле статора, тобто несинхронно. Але це визначення не дуже інформативно. Щоб його зрозуміти потрібно розібратися як влаштований цей двигун.Асинхронний двигун, як і будь-який інший складається з двох основних частин – ротор і статор. «Для чайників» в електриці розшифруємо:- Статором називають нерухому частину будь-якого генератора або електродвигуна.
- Ротором називають обертову частину двигуна, яка і приводить в рух механізми.
Статор складається з корпусу, торці якого закриваються підшипниковими щитами, в яких встановлені підшипники. Залежно від призначення і потужності двигуна використовують підшипники ковзання або кочення. У корпусі розташований сердечник, на ньому встановлена обмотка. Її називають обмоткою статора.
Так як струм змінний, щоб знизити втрати через блукаючих струмів (струми Фуко) сердечник статора набирають з тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної окалиною і скріплених лаком. На обмотки статора подають напругу живлення, струм протікає в них називають струмом статора.Кількість обмоток залежить від числа живлять фаз і конструкції двигуна. Так у трифазного двигуна мінімум три обмотки, з'єднаних за схемою зірки або трикутника. Їх кількість може бути більше, і воно впливає на швидкість обертання валу, але про це ми поговоримо далі.А ось з ротором справи йдуть цікавіше, як уже було сказано він може бути або короткозамкненим, або фазним.
Короткозамкнений ротор – це набір металевих стрижнів (зазвичай алюмінієвих або мідних), на малюнку вище позначені цифрою 2, впаяних або залитих в сердечник (1) замкнутих між собою кільцями (3). Така конструкція нагадує колесо, в якому бігають одомашнені гризуни, від чого її часто називають «білячою кліткою» або «болючих колесом» і така назва не жаргонне, а цілком літературне.Для зменшення вищих гармонік ЕРС і пульсації магнітного поля, стрижні укладають не вздовж вала, а під певним кутом щодо осі обертання.Фазний ротор відрізняється від попереднього тим, що на ньому вже є три обмотки, як на статорі. Почала обмоток підключаються до кілець, зазвичай мідним, вони напресовані на вал двигуна. Пізніше ми коротко пояснимо навіщо вони потрібні.
В обох випадках, один з кінців вала з'єднують з наведеними в рух механізмом, він виконується конічної або циліндричної форми з проточками або без, для установки фланця, шківа і інших механічних приводних деталей.На «задній» частини вала закріплюють крильчатку, яка необхідна для обдування і охолодження, поверх крильчатки на корпус надаватися кожух. Таким чином холодне повітря прямує уздовж ребер асинхронного двигуна, якщо ця крильчатка з якоїсь причини не буде обертатися – він перегріється.
Конструкція першого асинхронного двигуна була розроблена М.О. Доливо-Добровольським і запатентував він її в 1889 р Без особливих змін дожила до теперішнього часу.
Принцип роботи
Асинхронні електричні машини часто називають індукційними, це пов'язано з їх принципом дії. Будь-який електродвигун приводиться в обертання в результаті взаємодії магнітних полів ротора і статора, а також завдяки силі Ампера. Магнітне поле, в свою чергу, може існувати або навколо постійного магніту, або навколо провідника, через який протікає струм. Але як працює саме асинхронна машина?В асинхронному двигуні на відміну від інших немає як такої обмотки збудження, тоді як у нього з'являється магнітне поле? Відповідь проста: асинхронний електродвигун – це трансформатор.Розглянемо принцип його роботи на прикладі трифазної машини, так як саме вони зустрічаються частіше інших.На малюнку нижче ви бачите розташування обмоток на осерді статора трифазного асинхронного двигуна.
В результаті протікання трифазного струму в обмотках статора з'являється обертове магнітне поле. Через зсув фаз струм протікає то по одній, то по інший обмотці, відповідно до цього виникає магнітне поле, полюса якого спрямовані згідно з правилом правої руки. І відповідно до зміни струму в тій чи іншій обмотці полюса направляються у відповідну сторону. Що ілюструє наступна анімація:
У найпростішому (двох полюсному) випадку обмотки укладені таким чином, що кожна з них зміщена на 120 градусів щодо попередньої, як і кут зсуву фаз напруги в мережі змінного струму.Швидкість обертання магнітного поля статора прийнято називати синхронної. Детальніше про те, як воно обертається, і чому ви дізнаєтеся з наступного відеоролика. Відзначимо, що в двофазних (конденсаторних) і однофазних електродвигунах – воно не обертається, а еліптичне або пульсуюче, а обмоток не 3, а 2.Якщо розглядати асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором, то магнітне поле статора індукує в його стрижнях ЕРС, так як вони замкнуті, то починає протікати струм. Через що також виникає магнітне поле.В результаті взаємодії двох полів і силі Ампера, що діє на ротор, він починає обертатися услід за обертовим магнітним полем статора, але при цьому завжди трохи відстаючи від швидкості обертання МП статора, це відставання називають ковзанням.Якщо швидкість обертання магнітного поля називають синхронної, то швидкість обертання ротора вже асинхронної, від чого він і отримав таку назву.У АТ з фазним ротором справи йдуть так само, за винятком того, що до його кільцям підключають реостат, який після того як двигун вийде на робочий режим виводиться з ланцюга і обмотки замикаються накоротко. Це показано на схемі нижче, але замість реостата використані постійні резистори, що підключаються або шунтіруемой контакторами КМ3, КМ2, КМ1.
Такий підхід дозволяє здійснювати плавний запуск і знижувати пускові струми, за рахунок збільшення активного електричного опору ротора.
Підведемо підсумки:
- Струм в обмотках статора породжує магнітне поле.
- Магнітне поле призводить до виникнення струму в роторі.
- Струм в роторі до виникнення поля навколо нього.
- Так як поле статора обертається, то через свого поля ротор починає обертатися за ним.
Ковзання і швидкість обертання
Частота обертання магнітного поля статора (n1) більше, ніж частота обертання ротора (n2). Різниця між ними називається ковзанням, а позначається латинською буквою S і обчислюється за формулою:Ковзання не є недоліком цього електродвигуна, оскільки якби його вал обертався з тією ж частотою, що і магнітне поля статора (синхронно), то в його стержнів не індукувався б струм, і він би просто не став обертатися.Тепер про важливіше понятті – частота обертання ротора асинхронного електродвигуна. Вона залежить від 3 величин:- частота напруги мережі живлення (f);
- число пар магнітних полюсів (p);
- ковзання (S).
- однією парою полюсів (3000 об / хв);
- двома (1500 об / хв);
- трьома (1000 об / хв);
- чотирма (750 об / хв).
Тоді його ковзання дорівнює:Сфера застосування
Асинхронний електродвигун знайшов застосування в усіх сферах діяльності людини. Ті що живляться від однієї фази (від 220) можна зустріти в виконавчих механізмах малої потужності або в побутовій техніці і інструменті, наприклад:- в пральній машині типу «крихітка» і інших старих радянських моделей;
- в бетономішалці;
- в вентиляторі;
- в витяжці;
- і навіть в газонокосарках верхнього цінового сегмента.
На виробництві в трифазних мережах:
- автоматичні засувки;
- вантажопідйомні механізми (крани і лебідки);
- вентиляція;
- компресори;
- насоси;
- дерево- та металообробні верстати та інше.
Також АТ використовується в електротранспорті, а останнім часом в інтернеті активно рекламують асинхронний двигун з обмоткою типу «Слов'янка» і, так зване, мотор-колесо Дуюнова, про що ви можете дізнатися з відеоролика розробника.Область застосування асинхронних двигунів настільки велика, що один тільки список буде довшим ніж ця стаття, тому кожен електрик повинен знати, як він влаштований, для чого потрібен і де застосовується. Підіб'ємо підсумки і перерахуємо плюси і мінуси цих пристроїв.
- Проста конструкція.
- Низька вартість.
- Майже не вимагають обслуговування.