Устройството и принципът на действие на асинхронните електродвигатели

Електрически автомобилипреобразуване на електрическа енергия от променлив ток в механична енергия се наричат Електрически двигатели с променлив ток.

В промишлеността най -широко разпространени са асинхронни трифазни двигатели. Нека разгледаме устройството и принципа на работа на тези двигатели.

Принципът на действие на асинхронния двигател се основава на използването на въртящо се магнитно поле.

За да разберем работата на такъв двигател, ще извършим следния експеримент.

Ще укрепим подковообразен магнит върху оста, така че да може да се завърти от дръжката. Между полюсите на магнита поставяме меден цилиндър по оста, който може да се върти свободно.

Фигура 1. Най -простият модел за получаване на въртящо се магнитно поле

Нека започнем да въртим магнита за дръжката по часовниковата стрелка. Полето на магнита също ще започне да се върти и, докато се върти, ще пресича медния цилиндър със силовите си линии. В цилиндър според закона на електромагнитната индукция, ще има вихрови токовекоито ще създадат свои магнитно поле — полето на цилиндъра. Това поле ще взаимодейства с магнитното поле на постоянния магнит, причинявайки цилиндъра да се върти в същата посока като магнита.

Установено е, че скоростта на въртене на цилиндъра е малко по -малка от скоростта на въртене на магнитното поле.

Всъщност, ако цилиндърът се върти със същата скорост като магнитното поле, тогава магнитните силови линии не го пресичат и следователно в него не възникват вихрови токове, което кара цилиндъра да се върти.

Скоростта на въртене на магнитното поле обикновено се нарича синхронна, тъй като е равен на скоростта на въртене на магнита, а скоростта на въртене на цилиндъра е асинхронен (асинхронен). Следователно самият двигател е кръстен асинхронен двигател… Скоростта на въртене на цилиндъра (ротора) се различава от синхронна скорост на въртене на магнитното поле с малка сума т.нар подхлъзване.

Обозначава скоростта на въртене на ротора през n1 и скоростта на въртене на полето през н можем да броим процентно приплъзване по формулата:

s = (n — n1) / н.

В горния експеримент получихме въртящо се магнитно поле и въртенето на цилиндъра, причинено от него поради въртенето на постоянен магнит, следователно такова устройство все още не е електрически мотор… Трябва да се направи електричество създайте въртящо се магнитно поле и го използвайте за завъртане на ротора. Този проблем беше блестящо решен по негово време от М. О. Доливо-Доброволски. Той предложи за тази цел да се използва трифазен ток.

Устройството на асинхронен електродвигател М. О. Доливо-Доброволски

Фигура 2. Схема на асинхронен електродвигател Доливо-Доброволски

На полюсите на пръстеновидно желязно ядро, наречено мотор статор, поставени са три намотки, трифазни токови мрежи 0 разположени една спрямо друга под ъгъл 120 °.

Вътре в сърцевината, метален цилиндър, т.нар ротора на електродвигателя.

Ако намотките са свързани помежду си, както е показано на фигурата и са свързани към трифазна токова мрежа, тогава общият магнитен поток, създаден от трите полюса, ще се окаже въртящ се.

Фигура 3 показва графика на промените в токовете в намотките на двигателя и процеса на появата на въртящо се магнитно поле.

Нека разгледаме този процес по -подробно.

Фигура 3.Получаване на въртящо се магнитно поле

В позиция «А» на графиката токът в първата фаза е нула, във втората фаза е отрицателен, а в третата е положителен. Токът тече през бобините на полюсите в посоката, посочена със стрелките на фигурата.

След като определим, съгласно правилото на дясната ръка, посоката на магнитния поток, създаден от тока, ще се уверим, че южният полюс (S) ще бъде създаден във вътрешния край на полюса (обърнат към ротора) на третата намотка и северният полюс (C) ще бъдат създадени на полюса на втората намотка. Общият магнитен поток ще бъде насочен от полюса на втората намотка през ротора към полюса на третата намотка.

В позиция «B» на графиката токът във втората фаза е нула, в първата фаза е положителен, а в третата е отрицателен. Токът, протичащ през намотките на полюсите, създава южен полюс (S) в края на първата намотка и северен полюс (C) в края на третата намотка. Общият магнитен поток сега ще бъде насочен от третия полюс през ротора към първия полюс, тоест полюсите ще се движат с 120 °.

В позиция «В» на графиката токът в третата фаза е нулев, във втората фаза е положителен, а в първата фаза е отрицателен. Сега токът, протичащ през първата и втората намотки, ще създаде северен полюс (C) в края на полюса на първата намотка, и южен полюс (S) в края на полюса на втората намотка, т.е. , полярността на общото магнитно поле ще се премести с още 120 °. В позиция «G» на графиката магнитното поле ще се премести още 120 °.

По този начин общият магнитен поток ще промени посоката си с промяна в посоката на тока в намотките на статора (полюсите).

В този случай, за един период на промяна на тока в намотките, магнитният поток ще направи пълен оборот. Въртящият се магнитен поток ще влачи цилиндъра със себе си и по този начин ще получим асинхронен електродвигател.

Припомнете си, че на фигура 3 намотките на статора са свързани чрез «звезда», но въртящо се магнитно поле се образува, когато те са свързани чрез «триъгълник».

Ако сменим намотките на втората и третата фаза, магнитният поток ще обърне посоката си на въртене.

Същият резултат може да бъде постигнат без смяна на намотките на статора, но насочване на тока на втората фаза на мрежата в третата фаза на статора, а третата фаза на мрежата във втората фаза на статора.

Поради това, можете да промените посоката на въртене на магнитното поле, като превключите две фази.

Разгледахме устройство с асинхронен двигател с три намотки на статора… В този случай въртящото се магнитно поле е биполярно и броят на оборотите в секунда е равен на броя периоди на промяна на тока за една секунда.

Ако шест намотки са поставени върху статора по обиколката, тогава четириполюсно въртящо се магнитно поле… С девет намотки, полето ще бъде шестополно.

При честота на трифазен ток еравен на 50 периода в секунда или 3000 в минута, броят на оборотите n на въртящото се поле в минута ще бъде:

с двуполюсен статор n = (50 NS 60) / 1 = 3000 об / мин,

с четириполюсен статор n = (50 NS 60) / 2 = 1500 обороти,

с шестополюсен статор n = (50 NS 60) / 3 = 1000 обороти,

с броя на двойките статорни полюси, равен на стр: n = (f NS 60) / стр,

И така, установихме скоростта на въртене на магнитното поле и неговата зависимост от броя на намотките на статора на двигателя.

Както знаем, роторът на двигателя ще изостава малко в своето въртене.

Закъснението на ротора обаче е много малко. Така например, когато двигателят работи на празен ход, разликата в скоростта е само 3%и при натоварване 5 — 7%. Следователно скоростта на асинхронния двигател се променя в много малки граници при промяна на товара, което е едно от неговите предимства.

Помислете сега за устройството на асинхронни електродвигатели

Разглобен асинхронен електродвигател: а) статор; б) ротор в конструкция на катерица; в) ротор във фаза изпълнение (1 — рамка; 2 — сърцевина от щамповани стоманени листове; 3 — намотка; 4 — вал; 5 — плъзгащи пръстени)

Статорът на модерен асинхронен електродвигател има неизразени полюси, тоест вътрешната повърхност на статора е направена напълно гладка.

За да се намалят загубите на вихрови токове, сърцевината на статора се формира от тънки щамповани стоманени листове. Сглобеното ядро ​​на статора е фиксирано в стоманен корпус.

В слотовете на статора е положена намотка от медна тел. Фазовите намотки на статора на електродвигателя са свързани чрез «звезда» или «триъгълник», за което всички начала и краища на намотките се извеждат към тялото — към специален изолационен щит. Такова статорно устройство е много удобно, тъй като ви позволява да включите намотките му до различни стандартни напрежения.

Ротор на асинхронен двигател, подобно на статор, той е сглобен от щамповани стоманени листове. В каналите на ротора е положена намотка.

В зависимост от конструкцията на ротора, асинхронните електродвигатели се разделят на двигатели с ротор с катеричка и фазов ротор.

Намотката на ротора в клетка на катерица е направена от медни пръти, вмъкнати в процепите на ротора. Краищата на прътите са свързани с меден пръстен. Това се нарича навиване на клетка на катерица. Обърнете внимание, че медните пръти в каналите не са изолирани.

В някои двигатели «клетката на катерицата» се заменя с отлит ротор.

Асинхронен двигател с ротор (с плъзгащи пръстени) обикновено се използва в електродвигатели с висока мощност и в тези случаи; когато е необходимо електродвигателят да създаде голяма сила при потегляне. Това се постига чрез факта, че намотките на фазовия двигател са свързани стартиращ реостат.

Асинхронните двигатели с катерична клетка се пускат в експлоатация по два начина:

1) Директно свързване на трифазното мрежово напрежение към статора на двигателя. Този метод е най -простият и популярен.

2) Намаляване на напрежението, подавано към намотките на статора. Напрежението се намалява например чрез превключване на намотките на статора от звезда към триъгълник.

Двигателят се стартира, когато намотките на статора са свързани със «звезда», а когато роторът достигне нормалната скорост, намотките на статора се превключват на «делта» връзка.

Токът в захранващите проводници при този метод на стартиране на двигателя се намалява 3 пъти в сравнение с тока, който би възникнал при стартиране на двигателя чрез директно свързване към мрежата със статорни намотки, свързани чрез «делта». Този метод обаче е подходящ само ако статорът е проектиран за нормална работа, когато намотките му са свързани триъгълно.

Най -простият, най -евтиният и най -надеждният е асинхронен двигател с катеричка, но този двигател има някои недостатъци — ниско начално усилие и висок стартов ток. Тези недостатъци се елиминират до голяма степен чрез използването на фазов ротор, но използването на такъв ротор значително увеличава цената на двигателя и изисква стартиране на реостат.

Видове асинхронни двигатели

Основният тип асинхронни машини е трифазен асинхронен двигател… Той има три статорни намотки, разположени на 120 ° един от друг. Намотките са свързани звезда или триъгълник и се захранват от трифазен променлив ток.

Двигателите с ниска мощност в повечето случаи се изпълняват като двуфазен… За разлика от трифазните двигатели, те имат две намотки на статора, токовете в които трябва да бъдат изместени под ъгъл, за да създадат въртящо се магнитно поле π/2.

Ако токовете в намотките са равни по величина и са изместени във фаза с 90 °, тогава работата на такъв двигател няма да се различава по никакъв начин от работата на трифазен. Такива двигатели с две статорни намотки обаче в повечето случаи се захранват от еднофазна мрежа и изместване, приближаващо се до 90 °, се създава изкуствено, обикновено поради кондензатори.

Еднофазен двигателсамо една намотка на статора е практически неработеща.Когато роторът е неподвижен, в двигателя се създава само пулсиращо магнитно поле и въртящият момент е нулев. Вярно е, че ако роторът на такава машина се върти до определена скорост, тогава той може да изпълнява функциите на двигател.

В този случай, въпреки че ще има само пулсиращо поле, то се състои от две симетрични — напред и назад, които създават неравни моменти — по -голям двигател и по -малко спиране, възникващи поради токовете на ротора с повишена честота (приплъзване спрямо обратното синхронно поле е по -голямо от 1).

Във връзка с горното, еднофазните двигатели се доставят с втора намотка, която се използва като начална намотка. Кондензаторите са включени във веригата на тази намотка, за да създадат фазово изместване на тока, чийто капацитет може да бъде доста голям (десетки микрофарада с мощност на двигателя по -малка от 1 kW).

Системите за управление използват двуфазни двигатели, понякога наричани изпълнителна власт… Те имат две намотки на статора, изместени в пространството с 90 °. Една от намотките, наречена намотка на полето, е директно свързана към мрежа от 50 или 400 Hz. Вторият се използва като контролна намотка.

За да се създаде въртящо се магнитно поле и съответния въртящ момент, токът в управляващата намотка трябва да бъде изместен под ъгъл близо до 90 °. Регулирането на скоростта на двигателя, както ще бъде показано по -долу, се извършва чрез промяна на стойността или фазата на тока в тази намотка. Обратното се осигурява чрез промяна на фазата на тока в управляващата намотка с 180 ° (превключване на намотката).

Двуфазните двигатели се произвеждат в няколко версии:

• с ротор в клетка на катерица,

• с кух немагнитен ротор,

• с кух магнитен ротор.

Линейни двигатели

Трансформацията на ротационното движение на двигателя в транслационното движение на органите на работната машина винаги е свързана с необходимостта от използване на каквито и да е механични възли: назъбени стелажи, винт и т.н. само условно — като движещ се орган).

В този случай се казва, че двигателят е разгърнат. Намотката на статора на линеен двигател се извършва по същия начин, както при обемния двигател, но трябва да се полага само в жлебовете по цялата дължина на максимално възможното движение на плъзгащия ротор. Роторът-плъзгач обикновено е късо съединение, работното тяло на механизма е съчленено с него. В краищата на статора естествено трябва да има ограничители, които да пречат на ротора да напусне работните граници на пътя.