Асинхронный электродвигатель – конструкция, принцип работы, типы асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Его работа основана на принципе вращающегося магнитного поля. Сам принцип работы можно описать в несколько шагов:

Что такое асинхронный двигатель и как он работает?

Этот двигатель часто используется в промышленности. Он прост в использовании, долговечен и недорог.

Двигатель

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Его работа основана на принципе вращающегося магнитного поля. Сам принцип можно описать в несколько шагов:

  1. Во время запуска самого двигателя магнитное поле пересекает контур ротора, после чего возникает электродвижущая сила.
  2. В замкнутом роторе вырабатывается переменный ток.
  3. Магнитные поля статора и ротора также непосредственно воспроизводят так называемый вращающий момент.
  4. Ротор “догоняет” поле самого статора.
  5. Когда частоты вращения магнитных полей статора и ротора совпадают, электромагнитные процессы, возникающие на участке ротора, подавляются. Крутящий момент в этом случае равен “0”.
  6. Статор, а точнее, создаваемое им магнитное поле, возбуждает цепь ротора, который в этот момент снова находится сзади.

Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего крутящего момента ток в обмотке управления должен быть смещен на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, достигается путем изменения величины или фазы тока в этой обмотке. Реверс достигается путем изменения фазы тока управляющей обмотки на 180° (переключение обмоток).

Конструкция и принцип работы асинхронных двигателей

Трехфазные асинхронные двигатели наиболее распространены в промышленности. Поэтому давайте рассмотрим устройство и принцип работы этих двигателей.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Чтобы понять, как работает такой двигатель, давайте проведем следующий эксперимент.

Установите подковообразный магнит на оси, чтобы его можно было вращать с помощью ручки. Между полюсами магнита мы помещаем медный цилиндр, который может свободно вращаться.

Простейшая модель генерации вращающегося магнитного поля

Рисунок 1: Простейшая модель генерации вращающегося магнитного поля

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении пересечет медный цилиндр своими силовыми линиями. Согласно закону электромагнитной индукции, в цилиндре будут возникать вихревые токи, которые будут создавать собственное магнитное поле – поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, заставляя цилиндр вращаться в том же направлении, что и магнит.

Было установлено, что скорость вращения цилиндра немного меньше скорости вращения магнитного поля.

На самом деле, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, магнитные силовые линии не пересекают его, и поэтому в цилиндре не возникают вихревые токи, заставляющие цилиндр вращаться.

Скорость вращения магнитного поля называется синхронной, поскольку она равна скорости вращения магнита, в то время как скорость вращения цилиндра называется асинхронной (несинхронной). Именно поэтому сам двигатель называется асинхронным. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.

Обозначив скорость вращения ротора через n1, а скорость возбуждения через n, мы можем рассчитать величину скольжения в процентах по формуле:

В приведенном выше эксперименте мы получили вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра за счет вращения постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем. Электрический ток необходим для того, чтобы создать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Эту проблему гениально решил в свое время М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Схема асинхронного электродвигателя по М.О. Доливо-Добровольский

Диаграмма асинхронного двигателя Доливо-Добровольского

Рисунок 2: Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского

Полюса круглого железного сердечника, называемого статором электродвигателя, содержат три обмотки, сети 0-фазного тока, одна из которых расположена под углом 120° к другой.

Внутри сердечника находится металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя, насаженный на ось.

Если обмотки соединены вместе, как показано на рисунке, и подключены к трехфазной сети, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, будет вращаться.

На рисунке 3 показана диаграмма изменения токов в обмотках двигателя и процесс создания вращающегося магнитного поля.

Давайте рассмотрим этот процесс подробнее.

Вращающееся магнитное поле

Рисунок 3: Генерация вращающегося магнитного поля

В положении “А” на схеме ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе – отрицательный, а в третьей – положительный. Ток в полюсных катушках будет течь в направлении, указанном стрелками на рисунке.

Определив направление магнитного потока, создаваемого правилом правой руки, мы видим, что южный полюс (S) создается на внутреннем конце полюса (обращенного к ротору) третьей катушки, а северный полюс (N) – на полюсе второй катушки. Общий магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.

В положении B на диаграмме ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе – положительный, а в третьей – отрицательный. Ток, протекающий через полюсные катушки, формирует южный полюс (S) на конце первой катушки и северный полюс (C) на конце третьей катушки. Теперь общий магнитный поток будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т.е. полюса сдвинутся на 120°.

В положении “B” на диаграмме ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе – положительный, а в первой – отрицательный. Теперь ток, протекающий в первой и второй катушках, образует северный полюс (C) на конце полюса первой катушки и южный полюс (S) на конце полюса второй катушки, т.е. полярность общего магнитного поля сместится еще на 120°. В положении “D” на диаграмме магнитное поле сместится еще на 120°.

Таким образом, общий магнитный поток будет менять свое направление при изменении направления тока в обмотках статора (полюсах).

Магнитный поток совершит полный оборот за один период изменения тока в обмотках. Вращающийся магнитный поток будет огибать цилиндр, и таким образом мы получим асинхронный электродвигатель.

Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены в звезду, но вращающееся магнитное поле возникает и при соединении их в треугольник.

Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, магнитный поток изменит направление вращения.

Тот же эффект может быть достигнут без изменения обмоток статора, но путем направления сетевого тока от фазы 2 к фазе 3 и сетевого тока от фазы 3 к фазе 2.

Таким образом, можно изменять направление вращения магнитного поля, переключая любые две фазы.

Мы рассмотрели асинхронный двигатель с тремя обмотками в статоре. В этом случае вращающееся магнитное поле является биполярным и число его оборотов в секунду равно числу периодов изменения тока в секунду.

Асинхронный двигатель на станкеЕсли статор имеет шесть обмоток по кругу, создается четырехполюсное вращающееся поле. При девяти обмотках поле является шестиполюсным.

Если частота трехфазного тока f составляет 50 периодов в секунду, или 3000 в минуту, то число оборотов n вращающегося поля в минуту равно

с двухполюсным статором n = (50 x 60 ) / 1 = 3000 оборотов

в четырехполюсном статоре, n = (50 x 60 ) / 2 = 1500 об/мин.

в шестиполюсном статоре, n = (50 x 60 ) / 3 = 1 000 об/мин.

с числом пар полюсов статора, равным p : n = (f x 60 ) / p ,

Таким образом, мы определили скорость вращения магнитного поля и ее зависимость от количества витков на статоре двигателя.

Ротор двигателя, с другой стороны, как мы знаем, будет слегка заторможен в своем вращении.

Однако замедление ротора очень мало. Например, разница в скорости составляет всего 3%, когда двигатель находится в состоянии покоя, и от 5% до 7%, когда двигатель находится под нагрузкой. Поэтому скорость асинхронного двигателя изменяется в очень небольшом диапазоне при изменении нагрузки, что является одним из его преимуществ.

Конструкция асинхронного двигателя

Теперь рассмотрим конструкцию асинхронных двигателей

Разбитый асинхронный электродвигатель

Ротор асинхронного электродвигателя

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет нештампованные полюса, т.е. внутренняя поверхность статора полностью гладкая.

Для снижения потерь из-за вихревых токов сердечник статора изготовлен из тонкого штампованного стального листа. Собранный сердечник статора закреплен в стальном корпусе.

В пазы статора помещается обмотка из медного провода. Обмотки статора соединены в звезду или треугольник, при этом все начала и концы обмоток заканчиваются на специальной изоляционной пластине. Такое расположение статора очень удобно, так как позволяет переключать его обмотки на различные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, как и статор, изготовлен из штампованных стальных листов. Обмотка вставляется в пазы в роторе.

Асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с постоянными магнитами.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполнена из медных стержней, которые вставляются в пазы ротора. Концы шин соединены медным кольцом. Такая обмотка называется сеточной. Обратите внимание, что медные стержни в пазах не изолированы.

В некоторых двигателях сепаратор заменяется чугунным ротором.

Асинхронные двигатели

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактным кольцом) обычно используется в двигателях большой мощности и там, где двигатель должен создавать большое пусковое усилие. Это достигается путем включения реостата в фазные обмотки двигателя.

Асинхронные двигатели с коротким замыканием могут запускаться двумя способами:

1) Прямое подключение трехфазного сетевого напряжения к статору двигателя. Этот метод является самым простым и наиболее распространенным.

2) Уменьшением напряжения, подаваемого на обмотки статора. Напряжение снижается, например, путем изменения обмотки статора со звезды на треугольник.

Двигатель запускается с обмоткой статора, соединенной в звезду, а когда ротор достигает нормальной скорости, обмотка статора переключается на соединение в треугольник.

При таком способе ток в питающих линиях уменьшается в 3 раза по сравнению с током, который возник бы при запуске двигателя непосредственно от сети с обмотками статора, соединенными в треугольник. Однако этот метод подходит только в том случае, если статор рассчитан на правильную работу в соединении треугольником.

Самым простым, дешевым и надежным методом является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, но он имеет недостатки в виде низкой пусковой мощности и высокого пускового тока. Эти недостатки в значительной степени устраняются при использовании фазного ротора, но использование такого ротора делает двигатель намного дороже и требует наличия пускового реостата.

Асинхронные двигатели в промышленных установках

Типы асинхронных двигателей

Основным типом асинхронной машины является трехфазный асинхронный двигатель. Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединены в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.

Небольшие двигатели обычно проектируются как двухфазные. В отличие от трехфазных двигателей, они имеют две обмотки в статоре, токи которых должны быть смещены на угол π /2 для создания вращающегося магнитного поля.

Если токи обмоток равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, работа такого двигателя не будет отличаться от работы трехфазного двигателя. Однако такие двигатели с двумя обмотками в статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети, и смещение, близкое к 90°, создается искусственно, обычно с помощью конденсаторов.

Однофазный двигатель с одной обмоткой в статоре практически непригоден для работы. Когда ротор неподвижен, в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле, и вращающий момент равен нулю. Действительно, если ротор такой машины разогнать до определенной скорости, то она может работать как двигатель.

В этом случае, хотя будет только пульсирующее поле, оно состоит из двух симметричных, прямого и обратного, которые создают неравные моменты – более высокий момент двигателя и более низкий тормозной момент из-за токов ротора более высокой частоты (скольжение относительно обратного синхронного поля больше 1).

Поэтому однофазные двигатели оснащены второй обмоткой, которая служит пусковой обмоткой. Эта обмотка имеет большую емкость конденсатора (десятки микрофарад, если мощность двигателя менее 1 кВт) для того, чтобы произвести сдвиг фаз.

Двухфазные двигатели, иногда называемые исполнительными механизмами, используются в системах управления. Они имеют две обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, напрямую подключается к сети 50 Гц или 400 Гц. Другая служит в качестве управляющей обмотки.

Ток в обмотке управления должен быть смещен на угол, близкий к 90°, чтобы создать вращающееся магнитное поле и соответствующий крутящий момент. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, достигается путем изменения величины или фазы тока в этой обмотке. Изменение направления вращения достигается путем изменения фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключение обмоток).

Двухфазные двигатели выпускаются в нескольких вариантах:

с короткозамкнутым ротором,

полый немагнитный ротор,

с полым магнитным ротором.

Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение рабочей машины всегда включает в себя некоторые механические элементы: зубчатые рейки, винты и т.д. По этой причине иногда целесообразно сконструировать двигатель с линейным движением ротора (название “ротор” здесь можно принять лишь условно – как движущийся орган).

В этом случае двигатель считается реверсивным. Обмотка статора линейного двигателя такая же, как и у двигателя перемещения, за исключением того, что она должна быть пазовой по всей длине максимально возможного перемещения бегущего ротора. Направляющий ротор обычно коротко замкнут, а привод механизма соединен с ним. Разумеется, на концах статора должны быть упоры, чтобы предотвратить выход ротора за рабочие пределы дорожки.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Это магнитное поле индуцирует напряжение в обмотке ротора, а ток, генерируемый обмоткой ротора, индуцирует магнитный поток, который передается на статор. Сцепленный магнитный поток создает силу, действующую на ротор, и таким образом вращает его.

Трехфазный асинхронный двигатель: все, что нужно знать

В электротехнике асинхронный двигатель – это вращающаяся электрическая машина переменного тока.

Асинхронный двигатель использует вращающееся магнитное поле, созданное в статоре, для создания крутящего момента, чтобы вызвать электрический ток в роторе (передача энергии посредством электромагнитной индукции), поэтому он должен иметь скорость немного ниже (выше в случае асинхронного двигателя), чем скорость вращающегося магнитного поля (называемая скольжением).

Большая разница между двигателями постоянного тока и синхронными двигателями заключается в том, что ток не подается на ротор, а переменный ток протекает только через обмотку статора.

Трехфазный асинхронный двигатель является наиболее широко используемым электродвигателем в мире, поскольку он прост, экономичен, не требует обслуживания и вращается без дополнительного вспомогательного оборудования (версия с многороторной клеткой не производит искр во время работы, поэтому подходит для взрывоопасных сред, таких как шахты, газовое оборудование и т.д.).

Трехфазный асинхронный двигатель

Однофазные версии используются для более низкой мощности. Хотя традиционно они использовались для работы с постоянной скоростью, в настоящее время они используются с преобразователями частоты с разной скоростью (обычно для экономии энергии).

Простота конструкции, прочность и способность не искрить делают этот тип двигателя наиболее распространенным на практике и используется во многих промышленных, транспортных и бытовых приложениях. Мощность асинхронных двигателей варьируется от нескольких ватт до многих сотен киловатт.

Два наиболее распространенных типа асинхронных двигателей – это двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Первые асинхронные двигатели были созданы независимо друг от друга несколькими изобретателями:

Никола Тесла подал заявку на патент на асинхронную машину в 1887 году, а 5 мая следующего года последовало еще пять патентов.

В это же время Галилео Феррарис опубликовал трактат о вращающихся машинах.

В 1889 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрел первый трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Асинхронный двигатель General Electric, 25 л.с., 60 Гц, 220 вольт, 70 ампер, 1911 г.

Асинхронный двигатель General Electric, 25 л.с., 60 Гц, 220 вольт, 70 ампер, 1911 г.

Устройство

Каждый трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей.

Статор (неподвижная часть) одинаков для большинства типов. Он состоит из станины двигателя, подшипниковых пластин, фланца, лап и набора пластин статора с обмотками, вставленными в пазы.

Ротор (вращающаяся часть) представляет собой вал с запрессованными в него пластинами ротора (электрическими) с пазами, в которые вставляются стержни сепаратора ротора или провода обмотки ротора. Чистые медные, латунные или алюминиевые стержни вставляются в пазы ротора и замыкаются с обоих концов.

Стержни с кольцами имеют форму “беличьей клетки”. Клетка сварная или изготовлена методом литья под давлением из алюминия.

Кольцевой якорь в двигателе с фазным ротором – обмотка ротора из изолированных проводников размещается в пазах пластин и соединяется в звезду или треугольник. Обмотка ротора соединена с тремя кольцами. Кольца опираются на три угольные щетки, к которым может быть подключена цепь управления ротором, обычно резисторы.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

Обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя

Обмотки трехфазного асинхронного двигателя

Принцип работы

Работа асинхронной машины основана на генерации вращающегося магнитного поля статора, которое создается при протекании трехфазного переменного тока через обмотку статора.

Это магнитное поле индуцирует напряжение в обмотке ротора, а ток, создаваемый обмоткой ротора, индуцирует магнитный поток, который передается на статор. Сцепленный магнитный поток вызывает силу, действующую на ротор, и, таким образом, вращение ротора.

Скорость вращающегося поля статора, или синхронная скорость, определяется частотой питающего напряжения и числом полюсов двигателя:

Скорость вращающегося поля статора

f – частота тока, p – количество пар полюсов (например, p : 1 = двухполюсный, 2 = четырехполюсный, 3 = шестиполюсный, 4 = восьмиполюсный и т.д.).

Раздвижной

Асинхронная машина может передавать крутящий момент на выходной вал только в том случае, если скорость вращения магнитного поля статора отличается от механической скорости ротора вследствие так называемого “скольжения”. скольжение.

При ненулевом скольжении магнитный поток статора, связанный с потоком ротора, перемещается относительно ротора, через ротор протекает переменный (переменный) связанный магнитный поток статора и ротора, в обмотке ротора индуцируется напряжение, протекает ток ротора, роторная часть связанного магнитного потока машины отлична от нуля и крутящий момент отличен от нуля.

Частота обмотки статора определяется частотой питающей сети. Частота магнитного потока ротора и обмотки ротора отлична от нуля, определяется скольжением и отличается от частоты обмотки статора. Скольжение дается в процентах и определяется как:

Скольжение

где, ns – это “синхронная” скорость магнитного поля статора, n – механическая скорость ротора.

Номинальная скорость двигателя – это скорость вместе с номинальным скольжением двигателя (оба значения указаны на заводской табличке двигателя).

При нулевом скольжении, т.е. при синхронной скорости машины, сцепленные магнитные потоки статора и ротора не перемещаются относительно ротора. В обмотке ротора не индуцируется напряжение, не протекает ток ротора и не создается крутящий момент.

Крутящий момент

Вращающий момент стандартного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в установившемся режиме определяется так называемым коэффициентом Клосса. Устойчивое состояние наступает после прекращения переходных процессов, вызванных быстрыми изменениями нагрузки или электропитания машины.

Крутящий момент

Где M max – максимальный крутящий момент (не путать с номинальным), а S z – скольжение при максимальном крутящем моменте.

Максимальный крутящий момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения питания.

Стартап

При запуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток до 7 раз превышает номинальный ток. Это приводит к большим пикам тока в сети при относительно низком моменте переключения, поэтому прямой пуск обычно используется только для двигателей мощностью около 3 кВт.

Снижение высокого пускового тока асинхронного двигателя может быть достигнуто путем снижения пускового напряжения статора.

Полупроводниковый регулятор напряжения (softstart) – это полупроводниковый регулятор напряжения двигателя с малыми потерями, с помощью которого можно добиться плавного запуска двигателя.

Мягкий пуск не изменяет скорость двигателя, он изменяет скольжение двигателя. Плавный пуск также может использоваться для управления скоростью вращения вентилятора и аналогичных нагрузок с квадратичной зависимостью мощности от скорости.

Двигатель каменной мельницы на золотом прииске Восходная плотина

Двигатель каменной мельницы на золотом руднике Sunrise Dam (в Западной Австралии). Это асинхронный двигатель Alstom 11000V – 4000kW, произведенный в Нанси, Франция.

Двигатели с фазным ротором

Стартер ротора соединен с кольцами ротора щетками, обычно состоящими из трех резисторов одинакового размера, которые постепенно устраняются. После завершения запуска обмотка замыкается накоротко.

Кольцевая обмотка в двигателе с фазированным ротором предназначена для ограничения пусковых токов в статоре, а также для увеличения пускового момента при запуске. Этот метод запуска двигателя не изменяет скорость двигателя, он изменяет скольжение двигателя.

Перевернутый

Переключение любых двух фазных проводов на клеммах двигателя изменяет направление вращения вращающегося поля, и двигатель вращается в противоположном направлении.

Регулирование скорости

Скорость вращения ротора

где S – скольжение, f – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов двигателя. Поэтому мы можем управлять скоростью, изменяя любое из этих значений.

Управление путем изменения напряжения питания – основано на крутизне характеристики момента в зависимости от изменения выходного напряжения двигателя с последующим изменением скольжения для заданного момента, т.е. путем смещения рабочей точки. Это делается путем переключения обмотки статора в схеме звезда/треугольник или путем добавления полного сопротивления к питанию статора, автотрансформатора и т.д.

Наиболее распространенным способом управления скоростью асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором сегодня является изменение частоты сети.

Подключив преобразователь частоты (инвертор), можно управлять частотой и среднеквадратичным значением выходного напряжения и, таким образом, создаваемым магнитным полем статора.

Скорость синхронного двигателя соответствует выходной частоте преобразователя. Выходная частота преобразователя может быть ниже, равна или выше частоты сети.

Двигатели с преобразователем частоты

Двигатель, приводимый в действие преобразователем частоты, в этом случае имеет другую, даже более высокую скорость, чем двигатель, питающийся непосредственно от сети.

Скалярное управление является фиксированным – значение магнитного потока может быть задано. В основном, он управляет выходной частотой и напряжением в соотношении U/f = const. Используется для двигателей с низкими требованиями к динамическим свойствам (насосы, вентиляторы). Скалярное управление не может быть использовано для управления двигателем, близким к нулевой скорости.

Векторное управление – помимо величины магнитного потока, можно задавать его направление, тем самым получая плавное изменение скорости в любом режиме работы и нагрузки. Это лучший способ контролировать скорость. Векторное управление позволяет создавать крутящий момент даже в диапазоне нулевой скорости. Более ранние реализации векторного управления требовали наличия датчика скорости, но сейчас уже используются бездатчиковые методы идентификации состояния машины.

Прямое управление крутящим моментом (DTC) также является передовым методом управления, который не обеспечивает полной динамики на низких или нулевых скоростях. Преимущество этого метода заключается в том, что алгоритм управления прост, генерирует состояния переключения транзисторов напрямую и не требует датчика скорости или идентификации состояния машины.

Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели чаще всего используются там, где нет необходимости регулировать скорость двигателя во время работы машины, например, для привода компрессоров в холодильниках, бытовых стиральных машинах, газонокосилках и вентиляторах.

Преобразователь частоты может использоваться для управления скоростью однофазных асинхронных двигателей с однофазным питанием переменным током.

Обычные бытовые приборы, такие как электрические ручные инструменты, кухонные комбайны, пылесосы, фены, по-прежнему используют коллекторные двигатели, которые имеют более высокую скорость вращения и, следовательно, меньший объем и вес относительно требуемой мощности. Серийное производство более сложных и требующих обслуживания универсальных двигателей с коллекторным приводом хорошо управляемо и автоматизировано.

Трехфазные асинхронные двигатели в производственном цехе

Трехфазные асинхронные двигатели на производстве

Асинхронный двигатель в качестве генератора

Трехфазный асинхронный двигатель можно использовать без модификации в качестве генератора для выработки электроэнергии. Благодаря своей простоте и отсутствию необходимости в обслуживании, он используется в качестве генератора, особенно на небольших гидроэлектростанциях.

Скорость вращения водяной турбины (или другого вращающегося источника энергии) должна быть изменена путем преобразования ее в сверхсинхронную скорость используемого асинхронного двигателя, т.е. скольжение выше синхронного. Эта сверхсинхронная скорость затем поддерживается внешней электрической сетью.

Подача воды в турбину должна регулироваться таким образом, чтобы скорость вращения синхронного двигателя не падала и обычно не превышала 1,5-кратную скорость синхронного двигателя. Когда скорость падает, двигатель переключается из рекуперативного режима в режим двигателя и начинает получать активную энергию из сети. Превышение этой скорости может привести к перегрузке в режиме регенерации и механической поломке.

Работа двигателя в качестве генератора вне оптимального диапазона частоты вращения снижает эффективность. Рекомендуется использовать многоскоростные двигатели с более низкой рабочей скоростью (например, 1500 мин-1 ).

Гидравлические турбины обычно проектируются с низкой скоростью вращения. Необходимо быстро установить коробку передач между турбиной и двигателем. Однако это означает более высокие механические потери мощности в коробке передач. При более низкой номинальной скорости вращения двигателя существует риск возникновения проблем с охлаждением, что приводит к перегреву и сокращению срока службы.

Запуск асинхронного двигателя в качестве генератора может быть осуществлен оператором, который сначала подключает двигатель к трехфазной сети. После подключения турбины двигатель вращается с номинальной скоростью, близкой к синхронной.

Затем оператор открывает водяную задвижку турбины. Двигатель начинает разгоняться до сверхсинхронной скорости. С этого момента двигатель питается от сети, и внешняя сеть также определяет его скорость.

Выключение производится в обратном порядке во избежание опрокидывания и последующего повреждения двигателя (турбина без нагрузки).

Например, если асинхронный двигатель имеет номинальную скорость 1430 мин-1 , это двигатель с двумя полупарами (шесть катушек, подключенных к трехфазной сети), его синхронная скорость 1500 мин-1 , а скольжение 70 мин-1 (s = 6,7%). Такой двигатель будет оптимально работать в качестве генератора при частоте вращения 1500 + 70 = 1570 мин-1 (s = -6,7%).

Малая гидроэлектростанция

Асинхронный двигатель с приводом потребляет из распределительной сети полную мощность [ВА], которую можно разделить на активную мощность [Вт] и реактивную мощность [вар].

Полная, активная и реактивная мощность больше нуля (они имеют положительный знак в применяемой системе потребления). Активная мощность в двигателе преобразуется в механическую мощность на выходном валу и потери, т.е. тепло. Реактивная мощность передается только между двигателем и источником (или компенсатором). Он не генерирует энергию и вызывает активные потери.

Асинхронный двигатель в режиме рекуперации отбирает механическую энергию с выходного вала приводной машины (турбины). Асинхронный двигатель в режиме рекуперации подает полную мощность [ВА] в распределительную сеть. Он отдает активную мощность [Вт] и отбирает реактивную мощность [вар]. Кажущаяся и активная мощность меньше нуля (в применяемой системе потребителей они имеют отрицательный знак).

Реактивная мощность больше нуля и имеет положительный знак. Асинхронный генератор требует подключения к трехфазной сети.

Асинхронный двигатель не может работать самостоятельно в качестве асинхронного генератора (т.е. он не работает при отказе внешней распределительной сети). Помимо обеспечения реактивной мощности, распределительная сеть определяет частоту и, следовательно, скорость асинхронного генератора.

Если механический источник энергии (турбина) не имеет соответствующего ограничения максимальной скорости, то в случае неисправности распределительной сети асинхронный генератор должен быть отключен от турбины (или турбина должна быть отключена от источника воды). Невыполнение этого требования может привести к опрокидыванию машины, превышению рабочей скорости и механическому повреждению машины.

Асинхронный двигатель с рекуперацией энергии в автономном режиме может работать при определенных условиях. Индукционный генератор получает механическую энергию от выходного вала приводной машины (турбины).

Электродвигатель в режиме генератора на малой гидроэлектростанции

Электрически асинхронный генератор изолирован от внешних систем.

Частота вращения асинхронного генератора, а значит и частота выходного напряжения генератора, может изменяться в зависимости от нагрузки и потока воды через турбину. Это зависит от взаимного баланса между механической мощностью генератора и электрической мощностью генератора. В этом случае асинхронный генератор обычно подключается к автономной сети, например, через преобразователь частоты, который регулирует выходное напряжение и частоту системы.

Асинхронный генератор в автономной сети является источником полной мощности [ВА]. Он обеспечивает активную мощность [Вт] для автономной сети.

Потребление реактивной мощности намагничивания генератора [var] и потребление реактивной мощности автономной системы [var] должно обеспечиваться, например, от блока компенсирующих конденсаторов.

Автономная система с асинхронным генератором должна быть оснащена схемами управления и регулирования. Например, для поддержания постоянной частоты может использоваться преобразователь частоты. В противном случае асинхронный двигатель в режиме рекуперации в автономном режиме ведет себя так же, как и при подключении к распределительной сети.

Это означает, что ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что обеспечивает асинхронную работу.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Он состоит из следующих компонентов:

  • Цилиндрический статорСтатор цилиндрический, изготовлен из листовой стали. Сердечник статора имеет пазы, в которых расположены обмотки. Их оси смещены относительно друг друга на 120 градусов.
  • Ротор (короткое замыкание или фаза). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми шинами, закороченными концевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, обычно соединенной в звезду.
  • Структурные детали – вал, подшипники, опоры, корпуса подшипников, кожух ротора и вентилятора, клеммная коробка – для обеспечения вращения, охлаждения и защиты машины.

Схему асинхронного двигателя с его частями можно легко найти в интернете или в учебниках.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип работы асинхронного двигателя указан в его названии (не синхронный). То есть, статор и ротор при включении создают магнитные поля, вращающиеся на разных частотах. Частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты магнитного поля статора.

Чтобы проиллюстрировать этот процесс, возьмите постоянный магнит и вращайте его вокруг своей оси рядом с медным диском. Диск начнет вращаться за магнитом с небольшой задержкой. Идея заключается в том, что при вращении магнита токи Фуко (индукционные токи) движутся по замкнутому кругу в дисковой структуре. На самом деле это токи короткого замыкания, которые нагревают металл. Диск “зарождает” свое собственное магнитное поле, которое затем взаимодействует с полем магнита.

В асинхронных двигателях обмотки статора используются для создания вращающегося поля. Создаваемый ими магнитный поток генерирует ЭДС в проводниках ротора. Когда магнитное поле статора взаимодействует с током, индуцированным в обмотках ротора, возникает электромагнитная сила, которая приводит в движение вал двигателя.

Этот процесс происходит следующим поэтапным образом:

  1. Когда двигатель запускается, магнитное поле статора пересекает контур ротора и индуцирует электродвижущую силу.
  2. В закороченном роторе индуцируется переменный ток.
  3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают вращающий момент.
  4. Вращающийся ротор пытается “догнать” поле статора.
  5. Когда частоты вращения магнитных полей статора и ротора совпадают, электромагнитные процессы в роторе подавляются, и вращающий момент становится равным нулю.
  6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который в это время снова тормозится.

Это означает, что ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, нет необходимости в скользящих контактах, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (меняя фазы на клеммах), вы можете “заставить” двигатель вращаться в одном или другом направлении.

Направление электромагнитной силы можно легко определить, вспомнив школьный курс физики и применив “правило левой руки”.

Частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты питающей сети и количества пар полюсов. Поскольку количество пар полюсов зависит от типа двигателя и остается постоянным, если вы хотите изменить частоту возбуждения, необходимо изменить частоту сети с помощью инвертора.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря простой конструкции и принципу действия асинхронный электродвигатель имеет множество преимуществ и широко применяется во всех областях экономики и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

  • Надежность и долговечность. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными частями сводит к минимуму возможность износа и поломки.
  • Низкая стоимость. Они легко доступны (недаром 90% всех двигателей, производимых в мире, являются асинхронными).
  • Простота в использовании. Для их использования не требуется специальных знаний или навыков.
  • Они чрезвычайно универсальны. Они могут быть установлены практически в любой машине.

Изобретение асинхронного двигателя стало значительным вкладом в науку, промышленность и сельское хозяйство. Они сделали нашу жизнь более комфортной.

Эти элементы конструкции могут незначительно отличаться в зависимости от модификации электродвигателя.

Что такое проскальзывание

Термин скольжение – это отношение частоты вращения к частоте поля. Это значение S берется в процентах от частоты вращения магнитного поля. Согласно формуле, рассмотренной ранее, скорость вращения ротора, определяемая скольжением, будет: n2 = n1 x (1 – S).

Ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, что и его магнитное поле. В свою очередь, направление вращения поля зависит от последовательности фаз в трехфазной сети. Изменить направление вращения ротора можно, изменив направление вращения поля, создаваемого статором. В этом случае изменяется порядок подачи импульсов тока на отдельные обмотки. При необходимости можно установить вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Пуск асинхронного двигателя считается важным моментом, когда обмотка ротора разрезается вращающимся магнитным полем. В результате индуцируется высокая ЭДС, создающая большой пусковой ток. Такое состояние компенсируется специальной нагрузкой, которая снижает скорость вращения ротора.

Эти неисправности часто заметны при внешнем визуальном осмотре или на слух во время работы двигателя:

Возможные неисправности

Несмотря на простоту и надежность асинхронных двигателей, они могут потерять эффективность или выйти из строя при неблагоприятных условиях эксплуатации. Любые неисправности мелкого или крупного характера можно разделить на 2 группы – электрические и механические.

Механические неисправности

Эти неисправности часто заметны внешне или акустически при работе двигателя:

  • повреждение корпуса, ротора;
  • Свободная намотка;
  • Деформация вала.

Изношенные подшипники также являются частой проблемой. Обращайте внимание на внешние признаки, чтобы обнаружить неисправности на ранней стадии. Изношенные компоненты способствуют вибрации и перегреву. Неисправность можно также обнаружить акустически по повышенному уровню шума при включении питания.

Электрические неисправности

Наиболее распространенными неисправностями электрооборудования являются

  • Неисправности чередования;
  • Повреждение обмотки;
  • Проникновение изоляции в раму;
  • Потеря сопротивления изоляционного материала, повреждение его целостности;
  • Износ щеток при длительной работе;
  • Повреждение контактных колец.

Для выявления таких проблем потребуются измерения мультиметром и мегомметром.

При осмотре асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с помощью измерительных приборов можно проверить целостность обмоток, наличие всех фаз и уровень входного напряжения.

Для измерения сопротивления изоляции обмоток используется мегомметр. Данный прибор производит измерения в условиях перенапряжения. Если это значение ниже стандарта (оно должно быть не менее 0,5 мегаом), необходимо принять соответствующие меры. Если он не равен нулю, устройство можно оставить сушиться. Для этого в корпус вместо роторной части помещается мощная лампочка. Если после просушки обмоток сопротивление не увеличивается, неисправность определяется как короткое замыкание. Точное положение можно определить с помощью омметра, измеряя сопротивление всех обмоток по очереди. Разница между показаниями для обмоток должна быть минимальной, допустима разница не более 2%.

Существует также простой “народный способ” определения межповоротной ошибки. Для этого требуется небольшой металлический шарик и низкое напряжение. Когда ротор извлекается из корпуса, на обмотки подается напряжение не более 40 В. Затем туда опускается шарик, который под воздействием магнитного поля начинает вращаться внутри стартера. При непрерывном движении можно сделать вывод, что обмотки целы. Однако если шарик застрял в одной точке, это означает, что произошел межвитковый разрыв, и требуется ремонт обмотки.

При правильном использовании и постоянном контроле индукционный блок сепаратора не нужно будет часто проверять на наличие неисправностей и ремонтировать. Конструкция отличается высокой надежностью и может работать в течение длительного времени без значительного технического обслуживания. Это, в свою очередь, снижает общие эксплуатационные расходы. Благодаря низкой общей стоимости (по сравнению с другими вариантами), это делает двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее практичными и простыми в использовании.

Читайте далее:
Сохранить статью?