Toyota-navi.ru

АвтоКлуб Toyota
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство асинхронного двигателя и принцип его работы

Устройство электродвигателя и принцип работы

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Технические параметры

Асинхронная машина обладает следующими техническими характеристиками:

  • габариты и мощность. Они должны равняться приведенным в техрегламенте;
  • степень защиты. При эксплуатации в разных условиях требуется различный уровень защиты. Машина может работать на улице или в помещениях, в зависимости от этого требуется определенный уровень защиты;
  • хорошая степень изоляции. Нужно, чтобы мотор был устойчив нагреванию;
  • вид. Существуют различные типы асинхронных машин, предназначенные для эксплуатации в экстремальных погодных условиях, при очень низких или высоких температурах (в холодной местности на севере или на жаркой территории на юге). Необходимо, чтобы устройство двигателя соответствовало окружающим условиям;
  • абсолютное соответствие режимам работы (на практике и в теории);
  • система охлаждения, работающая согласно конкретному режиму;
  • громкость работы при холостом включении не должна превышать второй класс.

Разные типы двигателя

В отличие от трёхфазного, однофазный асинхронный двигатель часто применяется в бытовой технике – пылесосах, стиральных машинах, вентиляторах, кухонных комбайнах, блендерах и т.д. Они же применяются в магнитофонах и проигрывателях виниловых дисков. Даже в составе персонального компьютера можно найти не один асинхронный двигатель. Но к устройству этой версии двигателя мы вернёмся чуть позже.

Первым появился на свет именно трёхфазный электродвигатель, принцип работы которого строился на взаимодействии электромагнитных полей. Основные части асинхронного двигателя – это статор и ротор. Соответственно, статором была названа часть, которая остаётся неподвижной. Именно она находится непосредственно под внешней оболочкой устройства и имеет форму цилиндра. В этой части по кругу расположены три обмотки – под углом 120° друг к другу.

В современных двигателях можно насчитать множество обмоток, однако, они соединены друг с другом так, чтобы каждая последующая отличалась от предыдущей по фазе, и фазовый сдвиг между соседними обмотками составлял 120°. Обмотки наматываются медным проводом, и к каждой из групп подключается напряжение со своей фазы. Таким образом, получается, что магнитное поле движется по этим обмоткам, как бы замыкаясь в кольцо.

Статор тоже имеет свои обмотки. Так как на статор электричество не подаётся, он имеет право на замкнутый проводник, который иногда вместо обмоток формируют в виде так называемой беличьей клетки. Если сравнивать точнее, то эта деталь напоминает не саму клетку для проворного грызуна, а беличье колесо, предназначенное для того, чтобы животное выплёскивало свою неуёмную энергию. В роторе устройства «беличья клетка» формируется путём заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника, выполненного из набранных стальных листов. Такое устройство называется короткозамкнутым ротором.

Если статор выполнен с реальными обмотками, то он обычно делается многополюсным. Такой ротор называют фазным. Обмотки этого ротора замыкают звездой или треугольником.

Ротор имеет собственный вал, который опирается на задний и передний подшипники. Они, в свою очередь, закреплены на корпусе двигателя так, что ротор внутри статора может свободно вращаться. Принцип действия асинхронных двигателей основан на том, что в обмотках или «беличьем колесе» статором наводится магнитное поле. Под его действием в проводниках ротора появляется ток, а с ним – собственное магнитное поле.

Переменное магнитное поле статора увлекает за собой ротор, и тот начинает вращаться. Но магнитное поле ротора всегда запаздывает относительно поля статора, и вращение обоих полей не может происходить синхронно. Это заставляет ротор преодолевать множество действующих на него сил:

  • силу тяготения;
  • трение качения (если используется шариковый или роликовый подшипник);
  • трение скольжения (если в качестве подшипника применяется бронзовая втулка);
  • силу противодействия приводимого в движение оборудования.

Последняя сила зависит от многих моментов, поэтому её невозможно свести к какому-либо простейшему физическому параметру. Если надо сдвинуть с места трамвай, то двигателю приходится на себя брать нагрузку от редуктора, который надо раскрутить, от самого вагона, который надо сдвинуть, к тому же не надо забывать ещё и о силе трения качения, которое испытывают колёса транспортного средства.

В случае когда идет описание работы профессиональной мясорубки, которую приводит в действие асинхронный двигатель, то здесь преодолевается сопротивление и самого редуктора, и того куска мяса или даже кости, которую надо перемолоть.

Поскольку между статором и ротором есть зазор, то ротор под нагрузкой просто отстаёт от статора по угловой скорости. Следовательно, частота вращения ротора зависит от нагрузки на вал двигателя. Нарушается принцип синхронности, оттуда и название самого устройства: «асинхронный двигатель».

Принцип действия асинхронного двигателя – его диагностика и ремонт

Для того чтобы управление трехфазным асинхронным двигателем осуществлялось удобно и долго, необходимо следить за шумом подшипников во время работы. Следует избегать свистящих, хрустящих или царапающих звуков, свидетельствующих о недостатке смазки, а также глухих ударов, указывающих на то, что обоймы, шарики, сепараторы могут быть поврежденными.

Читать еще:  Фольксваген джетта какой двигатель лучше и коробка

В случае возникновения нетипичного шума или перегревания, подшипники в обязательном порядке подвергаются разборке и осмотру. Происходит удаление старой смазки, после чего производится промывка бензином всех деталей. Перед тем как посадить на вал новые подшипники, они должны быть предварительно прогреты в масле до нужной температуры. Новая смазка должна заполнять рабочий объем подшипника примерно на одну третью часть, равномерно распределяясь по всей окружности.

Состояние контактных колец заключается в систематической проверке их поверхности. В случае их поражения ржавчиной применяется зачистка поверхности мягкой наждачной бумагой и протирание керосином. В особых случаях делается их расточка и шлифовка. Таким образом, при нормальном уходе за двигателем он сможет отслужить свой гарантийный срок и проработать намного больше.

Электромагнитная совместимость преобразователей частоты

При расчёте и подключении частотника к сети и электрическому двигателю, следует помнить, что он очень подвержен помехам. Также, преобразователь частоты может и сам стать источником помех для другого оборудования. Именно поэтому, все подключения к частотнику и от него выполняются экранированными кабелями и выдерживанием дистанции в 10 см друг от друга.

По своей сути, применение частного преобразователя для питания асинхронного электрического двигателя позволило существенно продлить жизнь электрического двигателя, дало возможность регулировать работу двигателя и хорошо экономить на расходе электрической энергии.

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Частотник в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток). Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.

Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Читать еще:  Как установить двигатель от машины на катер

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.

И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;

Устройство асинхронного двигателя и принцип его работы

Ни одна сфера жизнедеятельности человека сегодня не обходится без электродвигателей. Эти устройства настолько прочно вошли в нашу повседневность, что выход из строя одного из них может как минимум испортить нам настроение на день, а как максимум остановить работу целого предприятия. Электродвигатели поднимают большие грузы на стройках, приводят в движение различные станки на заводах, передвигают общественный транспорт по городу, циркулируют воздух по вентиляционным каналам, помогают готовить еду на кухне и охлаждают детали наших компьютеров. Да что там говорить, если они присутствуют даже в детских игрушках.

Несмотря на такую ​​распространенность, автомобилей с электрическим приводом выпускается значительно меньше, чем их «собратьев» с двигателем внутреннего сгорания. На это есть технические и коммерческие причины, обзор которых мы оставили для отдельной статьи. А в этом тексте рассмотрим преимущества и недостатки электродвигателя и самое главное — его принцип действия.

Электрическая машина

Для начала нужно ввести понятие электрической машины, которой называют электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую или механической в ​​электрическую, а также электрической энергии с одними свойствами в электрическую энергию с другими свойствами. Электродвигатель, в свою очередь, является разновидностью электрической машины. Если в механизме электрическая энергия преобразуется в механическую с выделением тепла — это электродвигатель.

В основе принципа действия электродвигателя лежит электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Преобразование электрической энергии в механическую электромагнитным полем впервые продемонстрировал британский ученый Майкл Фарадей в 1821 году. Он подвесил провод и погрузил его в ртуть, в центре ванны установил постоянный магнит, через провод начал пропускать ток. В результате провод начал оборачиваться вокруг магнита, тем самым показывая, что ток вызывает циклическое магнитное поле. Это был простейший электродвигатель, непригодный для практического использования.

Первым в мире электродвигателем, который можно было эффективно использовать в различных системах, считают изобретение россиянина Бориса Якоби. В отличие от других ученых, которые работали над тем, чтобы заставить железный сердечник двигаться в магнитном поле подобно тому, как движется поршень в паровой машине, он предложил механизм с якорем, который вращается, объяснив, что такое строение значительно проще и непосредственно вращательные движения превращать в другие виды легче. Вращение в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов, которые периодически меняли полярность.

Читать еще:  Что делать двигатель если не заводится со стартера
Устройство электродвигателя

С развитием науки и техники электродвигатели менялись, разрабатывались новые модели, совершенствовались старые. Но основных составляющих всегда было две: статор и ротор.

  • Статор — неподвижная часть, на которой размещены все вспомогательные детали, также используемый для закрепления на корпусе, установки на поверхности и т.д.
  • Ротор — подвижная часть двигателя, которая может вращаться внутри статора.

На обеих частях конструкции предусмотрены обмотки, которые работают как электромагниты. Также возможна комбинация из электромагнита на роторе и постоянного магнита на статоре, или наоборот. При подаче электрического тока на обмотки в них возникает магнитное поле с соответствующими полюсами. Вследствие этого происходит силовое взаимодействие между полями статора и ротора. Таким образом стороны обмоток с одинаковыми полюсами начинают отталкиваться друг от друга, а с противоположными — притягиваться. Подвижная часть сразу же пытается стать в такое положение, чтобы противоположные полюса совпадали.

Так происходит максимум пол-оборота, или 180 °. Для того, чтобы ротор двигался дальше и сделал полный оборот на угол 360 °, нужно изменить направление тока в одной из обмоток, в результате чего ее полярность изменится на противоположную и стороны с соответствующими полюсами снова начнут притягиваться. Если через определенный период переключать полярность подаваемого на обмотку тока, то вал ротора будет непрерывно вращаться.

В разных видах электродвигателей такая разница между векторами магнитных полей достигается различными путями. Например, длительное время широко применялись коллекторы, а двигатели, соответственно, назывались коллекторными. Типичный коллектор представляет собой барабан на валу ротора, на который выведены контакты всех обмоток в определенном порядке. Ток на контакты подается с помощью угольных щеточек, которые прижимаются к барабану пружинами. Недостатками такого механизма является необходимость периодической замены щеток, стирание контактов и шум, поэтому со временем более популярными стали бесколлекторные двигатели, в которых используются датчики положения ротора.

Количество обмоток на подвижной и неподвижной частях может отличаться. Чем их больше, тем больше плавность хода и более равномерно распределяется мощность.

Классификация электродвигателей

Различать типы электромоторов можно по нескольким признакам, но две самые распространенные группы отличаются по типу электропитания.

По типу тока, который подается на обмотки, электродвигатели бывают постоянного и переменного тока.

В свою очередь, первую группу в зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла можно разделить на две: коллекторные и бесколлекторные. Возбуждение в коллекторных двигателях может происходить независимо с помощью постоянных и электрических магнитов, либо самовозбуждаться, при этом обмотка якоря может включаться параллельно, последовательно, частично-параллельно и частично-последовательно.

Среди двигателей, которые питаются от переменного тока, различают синхронные и асинхронные электродвигатели.

Синхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Существуют синхронные двигатели с дискретным углом перемещения ротора, заданное положение которого фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Такой вид называют шаговыми. Также можно выделить вентильные реактивные электродвигатели, питания обмоток которых формируется с помощью полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания. Моторы такого типа могут иметь разное количество фаз переменного тока. Так, однофазные запускаются вручную или пусковой. Также различают двухфазные, трехфазные и многофазные. Именно асинхронные трехфазные электродвигатели в настоящее время являются наиболее распространенными в промышленности. При отсутствии питания током с тремя фазами, могут работать от однофазной электросети, однако с меньшей мощностью и большим нагрузкам на обмотки, которые могут выйти из строя из-за перегрева.

Следует отметить, что впервые модель асинхронного двигателя предложил знаменитый изобретатель Никола Тесла в Будапеште в 1882 году.

Также существует универсальный коллекторный электродвигатель, который может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Конструкция предусматривает только последовательное подключение обмоток, поэтому его ротор вращается только в одном направлении независимо от полярности.

Генератор

Электродвигатель может не только потреблять электроэнергию, но и производить ее. В таком случае он называется генератором электрического тока. Если на вал ротора подать обороты, то в обмотках статора возникнет электродвижущая сила. Таким образом, например, в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания во время движения заряжается аккумулятор и снабжаются энергией другие приборы. В электромобилях и гибридах часто используется система рекуперации: когда водитель не давит на педаль газа (или тормозит), электроэнергия возвращается обратно в аккумулятор. В этом режиме не двигатель приводит в движение трансмиссию, а колеса буквально крутят ротор.

В общем, электродвигатели получили большую популярность в технике из-за таких преимуществ, как высокий коэффициент полезного действия и простота механизма. Диапазон мощности и габаритов чрезвычайно велик, что позволяет успешно использовать их как в мелких электронных приборах, так и в масштабной промышленной технике.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

  • Назад
  • Вперёд

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector