Алексей Бартош
Эксперт раздела "Вопрос электрику", автор статей.
Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования, опыт работы более 5 лет.

Что такое асинхронный двигатель и как он работает

Асинхронный двигатель простой и надежный и от этого очень часто используется на производстве и в бытовой технике, от привода задвижек до вращения барабана в стиральной машине. В этой статье мы простыми словами расскажем о том какие бывают асинхронные электродвигатели, что это такое и как работает данный тип электрических машин.

Виды

Асинхронные двигатели (АД) делятся на две основные группы:

  • с короткозамкнутым ротором (КЗ);
  • с фазным ротором.

Если опустить нюансы, то отличие заключается в том, что у АД с короткозамкнутым ротором нет щеток и выраженных обмоток, он менее требователен в обслуживании. Тогда как в асинхронных двигателях с фазным ротором есть три обмотки, соединенные с контактными кольцами, ток с которых снимается щетками. В отличие от предыдущего лучше поддаётся регулированию момента на валу и проще реализуется плавный запуск для снижения пусковых токов.

В остальном двигатели классифицируют:

  • по количеству питающих фаз — однофазные и двухфазные (используются в быту при питании от сети 220В), и трёхфазные (получили наибольшее распространение на производстве и в мастерских).
  • по способу крепления — фланцевое или на лапах.
  • по режиму работы — для длительного, кратковременного или повторно-кратковременного режима.

И ряду других факторов, которые влияют выбор конкретного изделия для использования в конкретных условиях.

Об однофазных электродвигателях можно сказать много: некоторые из них запускаются через конденсатор, а некоторым требуется и пусковая и рабочая ёмкость. Есть и варианты с короткозамкнутым витком, которые работают без конденсатора и применяются, например, в вытяжках. Если вам интересно — пишите в комментариях и мы напишем об этом статью.

Устройство

По определению «асинхронным» называют двигатель переменного тока, у которого ротор вращается медленнее чем магнитное поле статора, то есть несинхронно. Но это определение не слишком информативно. Чтобы его понять нужно разобраться как устроен этот двигатель.

Асинхронный двигатель, как и любой другой состоит из двух основных частей — ротор и статор. «Для чайников» в электрике расшифруем:

  • Статором называют неподвижную часть любого генератора или электродвигателя.
  • Ротором называют вращающуюся часть двигателя, которая и приводит в движение механизмы.

Устройство асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса, торцы которого закрываются подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники. В зависимости от назначения и мощности двигателя используют подшипники скольжения или качения. В корпусе расположен сердечник, на нём установлена обмотка. Её называют обмоткой статора.

Асинхронный двигатель в разрезе

Так как ток переменный, чтобы снизить потери из-за блуждающих токов (токи Фуко) сердечник статора набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга окалиной и скрепленных лаком. На обмотки статора подают питающее напряжение, ток протекающий в них называют током статора.

Количество обмоток зависит от числа питающих фаз и конструкции двигателя. Так у трёхфазного двигателя минимум три обмотки, соединённых по схеме звезды или треугольника. Их количество может быть больше, и оно влияет на скорость вращения вала, но об этом мы поговорим далее.

А вот с ротором дела обстоят интереснее, как уже было сказано он может быть или короткозамкнутым, или фазным.

Конструкция ротора

Короткозамкнутый ротор — это набор металлических стержней (обычно алюминиевых или медных), на рисунке выше обозначены цифрой 2, впаянных или залитых в сердечник (1) замкнутых между собой кольцами (3). Такая конструкция напоминает колесо, в котором бегают одомашненные грызуны, отчего её часто называют «беличьей клеткой» или «беличьим колесом» и такое название не жаргонное, а вполне литературное. Для уменьшения высших гармоник ЭДС и пульсации магнитного поля, стержни укладывают не вдоль вала, а под определенным углом относительно оси вращения.

Фазный ротор отличается от предыдущего тем, что на нем уже есть три обмотки, как на статоре. Начала обмоток подключаются к кольцам, обычно медным, они напрессованы на вал двигателя. Позже мы кратко объясним зачем они нужны.

Конструкция двигателя с фазным ротором

В обоих случаях, один из концов вала соединяют с приводимым в движение механизмом, он выполняется конической или цилиндрической формы с проточками или без, для установки фланца, шкива и других механических приводных деталей.

На «задней» части вала закрепляют крыльчатку, которая необходима для обдува и охлаждения, поверх крыльчатки на корпус надевается кожух. Таким образом холодный воздух направляется вдоль ребер асинхронного двигателя, если эта крыльчатка по какой-то причине не будет вращаться — он перегреется.

Детали статора АД и крыльчатка

Конструкция первого асинхронного двигателя была разработана М.О. Доливо-Добровольским и запатентовал он её в 1889 г. Без особых изменений дожила до настоящего времени.

Принцип работы

Асинхронные электрические машины часто называют индукционными, это связано с их принципом действия. Любой электродвигатель приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора, а также благодаря силе Ампера. Магнитное поле, в свою очередь, может существовать либо вокруг постоянного магнита, либо вокруг проводника, через который протекает ток. Но как работает именно асинхронная машина?

В асинхронном двигателе в отличие от других нет как таковой обмотки возбуждения, тогда как у него появляется магнитное поле? Ответ прост: асинхронный электродвигатель – это трансформатор.

Рассмотрим принцип его работы на примере трёхфазной машины, так как именно они встречаются чаще остальных.

На рисунке ниже вы видите расположение обмоток на сердечнике статора трёхфазного асинхронного двигателя.

Условное расположение обмоток в статоре

В результате протекания трёхфазного тока в обмотках статора появляется вращающееся магнитное поле. Из-за сдвига фаз ток протекает то по одной, то по другой обмотке, в соответствии с этим возникает магнитное поле, полюса которого направлены согласно правилу правой руки. И в соответствии с изменением тока в той или иной обмотке полюса направляются в соответствующую сторону. Что иллюстрирует следующая анимация:

Токи в обмотках и вращающееся магнитное поле

В простейшем (двух полюсном) случае обмотки уложены таким образом, что каждая из них смещена на 120 градусов относительно предыдущей, как и угол сдвига фаз напряжения в сети переменного тока.

Скорость вращения магнитного поля статора принято называть синхронной. Подробнее о том, как оно вращается, и почему вы узнаете из следующего видеоролика. Отметим, что в двухфазных (конденсаторных) и однофазных электродвигателях — оно не вращающееся, а эллиптическое или пульсирующее, а обмоток не 3, а 2.

Если рассматривать асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, то магнитное поле статора индуцирует в его стержнях ЭДС, так как они замкнуты, то начинает протекать ток. Из-за чего также возникает магнитное поле.

В результате взаимодействия двух полей и силе Ампера, действующей на ротор, он начинает вращаться вслед за вращающимся магнитным полем статора, но при этом всегда немного отставая от скорости вращения МП статора, это отставание называют скольжением.

Если скорость вращения магнитного поля называют синхронной, то скорость вращения ротора уже асинхронной, от чего он и получил такое название.

У АД с фазным ротором дела обстоят подобным образом, за исключением того, что к его кольцам подключают реостат, который после того как двигатель выйдет на рабочий режим выводится из цепи и обмотки замыкаются накоротко. Это показано на схеме ниже, но вместо реостата использованы постоянные резисторы, подключаемые или шунтируемые контакторами КМ3, КМ2, КМ1.

Схема пуска асинхронного двигателя

Такой подход позволяет осуществлять плавный запуск и снижать пусковые токи, за счет увеличения активного электрического сопротивления ротора.

Общие сведения о пуске асинхронного двигателяПодведем итоги:

  1. Ток в обмотках статора порождает магнитное поле.
  2. Магнитное поле приводит к возникновению тока в роторе.
  3. Ток в роторе к возникновению поля вокруг него.
  4. Так как поле статора вращается, то из-за своего поля ротор начинает вращаться за ним.

Скольжение и скорость вращения

Частота вращения магнитного поля статора (n1) больше, чем частота вращения ротора (n2). Разница между ними называется скольжением, а обозначается латинской буквой S и вычисляется по формуле:

S=(n1-n2)*100%/n1

Скольжение не является недостатком этого электродвигателя, поскольку если бы его вал вращался с той же частотой, что и магнитное поля статора (синхронно), то в его стержнях не индуцировался бы ток, и он бы просто не стал вращаться.

Теперь о более важном понятии — частота вращения ротора асинхронного электродвигателя. Она зависит от 3 величин:

  • частота напряжения питающей сети (f);
  • число пар магнитных полюсов (p);
  • скольжение (S).

Число пар магнитных полюсов определяет синхронную скорость вращения поля и зависит от числа обмоток статора. Скольжение зависит от нагрузки и конструкции конкретного электродвигателя и лежит в пределах 3-10%, то есть асинхронная скорость совсем немного меньше синхронной. Ну а частота переменного тока у нас фиксирована и равняется 50 Гц.

Поэтому частоту вращения вала асинхронного двигателя сложно регулировать, вы можете воздействовать лишь на частоту питающей сети, то есть установив частотный преобразователь. Можно и понижать напряжение статора, но тогда уменьшается мощность на валу, тем не менее такой приём применяют при пуске АД с переключением обмоток со звезды на треугольник для уменьшения пусковых токов.

Частота вращения поля статора (синхронная скорость) определяется по формуле:

n=60*f/p

Так в двигателе с одной парой магнитных полюсов (два полюса) синхронная скорость равна:

60*50/1=3000 об/мин

Наиболее распространены следующие варианты электродвигателей с:

  • одной парой полюсов (3000 об/мин);
  • двумя (1500 об/мин);
  • тремя (1000 об/мин);
  • четырьмя (750 об/мин).

Реальная скорость вращения ротора будет несколько ниже, на реальном асинхронном двигателе она указывается на шильдике, например, здесь – 2730 об/мин. Несмотря на это, в народе такой асинхронный двигатель будут называть согласно синхронной скорости или просто «трёхтысячник».

Шильдик с техническими характеристиками

Тогда его скольжение равняется:

3000-2730*100%/3000=9%

Сфера применения

Асинхронный электродвигатель нашел применение во всех сферах деятельности человека. Те что питаются от одной фазы (от 220В) можно встретить в исполнительных механизмах малой мощности или в бытовой технике и инструменте, например:

  • в стиральной машине типа «малютка» и других старых советских моделей;
  • в бетономешалке;
  • в вентиляторе;
  • в вытяжке;
  • и даже в газонокосилках верхнего ценового сегмента.

Асинхронный привод в газонокосилкеАсинхронный двигатель с расщепленным полюсом из вытяжкиОт стиральной машинки

На производстве в трёхфазных сетях:

  • автоматические задвижки;
  • грузоподъёмные механизмы (краны и лебедки);
  • вентиляция;
  • компрессоры;
  • насосы;
  • дерево- и металообрабатывающие станки и другое.

Автоматическая задвижка

ЛебедкаДвигатель с фазным ротором от крана

Промышленный мембранный компрессор

Также АД используется в электротранспорте, а в последнее время в интернете активно рекламируют асинхронный двигатель с обмоткой типа «Славянка» и, так называемое, мотор-колесо Дуюнова, о чем вы можете узнать из видеоролика разработчика.

Область применения асинхронных двигателей настолько обширна, что один только список будет длиннее чем эта статья, поэтому каждый электрик должен знать, как он устроен, для чего нужен и где применяется. Подведем итоги и перечислим плюсы и минусы этих устройств.

Плюсы:

  1. Простая конструкция.
  2. Низкая стоимость.
  3. Почти не требуют обслуживания.

Главный недостаток — сложность регулировки оборотов, по сравнению с теми же двигателями постоянного тока или универсальными коллекторными машинами. Соответственно и сложно организовать плавный пуск больших машин, и чаще это делают с помощью дорогого частотного преобразователя.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение асинхронных электродвигателей и их области применения. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что это такое и как работает данная электрическая машина!

Материалы по теме:

Нравится(0)Не нравится(0)
(2 голосов)
Загрузка...
Обсудить на форуме

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *