Асинхронный двигатель схема: Асинхронные электродвигатели: схема, принцип работы и устройство

Асинхронные электродвигатели: схема, принцип работы и устройство

Асинхронный электродвигатель – это электрический агрегат с вращающимся ротором. Скорость вращения ротора отличается от скорости, с которой вращается магнитное поле статора. Это – одна из важных особенностей работы агрегата, так как если скорости выровняются, то магнитное поле не будет наводить в роторе ток и действие силы на роторную часть прекратится. Именно поэтому двигатель называется асинхронным (у синхронного показатели скоростного вращения совпадают). 

В данной статье мы сфокусируемся на том, что представляет собой схема работы такого двигателя и – самое главное, насколько она эффективна при его эксплуатации.

Устройство и принцип действия

Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.

Относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. В установившемся режиме скольжение невелико: 1-8% в зависимости от мощности.

Асинхронный двигатель

Подробнее о принципах работы асинхронного электродвигателя – в частности, на примере агрегата трехфазного тока, вы можете прочесть здесь, на сайте, в одном из наших материалов. Далее же мы разберем, какие бывают разновидности асинхронных электрических машин.

Виды асинхронных двигателей

Можно выделить 3 базовых типа асинхронных электродвигателей:

• 1-фазный – с короткозамкнутым ротором
• 3-х фазный – с короткозамкнутым ротором
• 3-х фазный – с фазным ротором

Схема устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

То есть, двигатели классифицируются по количеству фаз (1 и 3) и по типу ротора – с короткозамкнутым и с фазным. При этом число фаз с установленным типом ротора никак не взаимосвязано.

Ещё одна разновидность – асинхронный двигатель с массивным ротором. Ротор сделан целиком из ферромагнитного материала и фактически представляет собой стальной цилиндр, играющий роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Такой вид двигателя очень прочный и обладает высоким пусковым моментом, однако в роторе могут возникать большие потери энергии, а сам он может сильно нагреваться.

Какой ротор лучше, фазный или короткозамкнутый?

Преимущества короткозамкнутого:

• Более-менее постоянная скорость вне зависимости от разных нагрузок
• Допустимость кратковременных механических перегрузок
• Простая конструкция, легкость пуска и автоматизации
• Более высокие cos φ (коэффициент мощности) и КПД, чем у электродвигателей с фазным ротором

Недостатки:

• Трудности в регулировании скорости вращения
• Большой пусковой ток
• Низкий мощностной коэффициент при недогрузках

Преимущества фазного:

• Высокий начальный вращающий момент
• Допустимость кратковременных механических перегрузок
• Более-менее постоянная скорость при разных перегрузках
• Меньший пусковой ток, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором
• Возможность использования автоматических пусковых устройств

Недостатки:

• Большие габариты
• Коэффициент мощности и КПД ниже, чем у электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Какой двигатель лучше выбрать?

Асинхронный или коллекторный? Синхронный или асинхронный? Сказать однозначно, что определенный тип двигателя лучше, точно нельзя. В пользу асинхронных моделей говорят их следующие преимущества.

• Относительно небольшая стоимость
• Низкие эксплуатационные затраты
• Отсутствие необходимости в преобразователях при включении в сеть (только для нагрузок, не нуждающихся в регулировании скорости)
• Отсутствие потребности в дополнительном источнике питания – в отличие от синхронных аналогов

Тем не менее, у асинхроников есть недостатки. А именно:

• Малый пусковой момент
• Высокий пусковой ток
• Отсутствие возможности регулировки скорости при подключении к сети
• Ограничение максимальной скорости частотой сети
• Высокая зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети
• Низкий мощностной коэффициент – в отличие от синхронных агрегатов

Тем не менее, все перечисленные недостатки можно устранить, если питать асинхронный двигатель от статического частотного преобразователя. Кроме того, если соблюдать правила эксплуатации и не перегружать агрегаты, то они исправно прослужат длительный срок.

Но даже несмотря на то, что синхронные машины обладают довольно конкурентными преимуществами, большинство двигателей сегодня – именно асинхронные. Промышленность, сельское хозяйство, ЖКХ и многие другие отрасли используют именно их за счет высокого КПД. Но коэффициент полезного действия может значительно снижаться за счет таких параметров, как:

• Высокий пусковой ток
• Слабый пусковой момент
• Рассинхрон между механическим моментом на валу привода и механической нагрузкой (это провоцирует высокий рост силы тока и избыточные нагрузки при запуске, а также снижение КПД при пониженной нагрузке)
• Невозможность точной регулировки скорости работы прибора

Другими факторами, от которых зависит КПД асинхронного электродвигателя, являются:

• степень загрузки двигателя по отношению к номинальной
• конструкция и модель
• степень износа
• отклонение напряжения в сети от номинального.

Как избежать снижения КПД?

• Обеспечение стабильного уровня загрузки – не ниже 75%
• Увеличение мощностного коэффициента
• Регулировать напряжение и частоту подаваемого тока

Для этого используются:

• Частотные преобразователи – они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения
• Устройства плавного пуска – они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение, как одни из факторов, из-за которых падает КПД

Итак, асинхронный двигатель имеет довольно широкую область использования и применяется во многих хозяйственных и производственных сферах деятельности. У нас, в компании РУСЭЛТ, представлен широкий выбор электродвигателей данного типа, приобрести который вы можете по ценам, которые ощутимо выгоднее, чем у конкурентов.

Защита асинхронного двигателя — способы и схемы

Если правильно эксплуатировать асинхронный двигатель, он прослужит очень долго. Однако существуют факторы, способные сократить срок его службы, и их требуется нейтрализовать. В случае входа в аварийный режим электромотор должен быть быстро и своевременно отключен, иначе он сгорит.

К стандартным и часто встречающимся аварийным ситуациям относятся:

• Короткое замыкание (КЗ). В этом случае срабатывает защита, которая отключает мотор от сети.
• Перегрузка, из-за которой происходит перегрев двигателя.
• Уменьшение или исчезновение напряжения.
• Отсутствие напряжения на одной фазе.

Для защиты служат плавкие предохранители, магнитные пускатели или реле. Плавкие предохранители является одноразовыми, и после сгорания их приходится заменять. Автоматические переключатели с коммутациями срабатывают и при перегрузках, и при КЗ. Реле и магнитные пускатели бывают многократного действия с автоматическим самовозвратом или с ручным возвратом.

Защита от КЗ настраивается с учетом 10-кратного превышения номинального тока токами пуска и торможения. При местных замыканиях в обмотках мотора защита должна срабатывать, когда ток меньше, чем при пуске. В защите также предусматривают задержку отключения, и она срабатывает, если за это время потребляемый из сети ток сильно возрастет. Если защита от перегрузки действует слишком часто, скорее всего, мощность мотора не соответствует его назначению. Ложные срабатывания устраняют, соответственно выбирая и регулируя компоненты защиты.

Следует помнить, что любые способы и схемы защиты асинхронного электродвигателя должны быть не только просты, но и надежны.

Короткие замыкания, а также защита от перегрузок

Плавкие вставки – простейшая защита от коротких замыканий для моторов мощностью до 100 кВт. Если перегорят не все 3 предохранителя, могут отключиться только 1 или 2 фазные обмотки.

Если переходный процесс длится 2-5 секунд, номинальный ток предохранителя не должен быть меньше 40 % величины пускового тока, а если 10-20 секунд – то минимум 50 %. При неизвестной величине пускового тока и мощности Р мотора меньше 100 кВт примерная величина номинального тока I вставки выбирается так:

• при U 500 вольт I = 4,5 Р;
• при U 380 вольт I = 6 Р;
• при U 2200 вольт I = 10,5 Р.

Тепловая защита

Тепловое реле – это биметаллическая пластина, нагреваемая током обмоток мотора. Деформируясь, она активизирует контакты, отключающие мотор. Тепловые реле могут встраиваться в магнитные пускатели. Следует принимать в расчет максимальное напряжение в сети, при котором допускается применение теплового реле, и ток, при котором реле работает долгое время и не активизируется.

Тепловое реле не может реагировать на токи короткого замыкания. Не действуют на него и недолгие перегрузки, которые недопустимы. Поэтому рекомендуется совмещать использование теплового реле с плавкими вставками.

Специальный датчик тепла защищает электромотор от перегрева еще успешнее. Он устанавливается на самом электромоторе. Некоторые двигатели имеют встроенный биметаллический датчик, представляющий собой контакт, который подключен к защите.

Понижение напряжения и исчезновение фазы

Если асинхронный электромотор работает с полной нагрузкой, а напряжение при этом понижено, то он начинает быстро нагреваться. Если в него встроен температурный сенсор, включится тепловая защита.

Если же температурного сенсора не имеется, надо обеспечить защиту электродвигателя от падения напряжения. В таком случае используются реле. Когда уменьшается напряжение, они срабатывают и подают сигнал на отключение электродвигателя. Исходное состояние защиты может восстанавливаться вручную или автоматически; при этом происходит задержка во времени для каждого электромотора при их группе. В противном случае при одновременном групповом запуске после восстановления напряжение в сети может снова понизиться, и произойдет новое отключение.

Правила устройства и эксплуатации электроустановок требуют защиты от исчезновения фазы тока только в случаях экономически нецелесообразных последствий. Экономически выгоднее не изготавливать и устанавливать такую защитную систему, а устранить причины, приводящие к режиму работы только на двух фазах.

Новейшими устройствами для защиты электромоторов можно назвать автоматические выключатели, способные к воздушному гашению дуги. В некоторых конструкциях совмещаются возможности рубильника, контактора, максимального реле и термореле. В подобных моделях мощная взведенная пружина размыкает контакты. Ее освобождение зависит от того, каков исполнительный элемент – электромагнитный или тепловой.

Таким образом, защита асинхронного двигателя, способы и схемы которой изложены выше, должна реализовываться пользователем в обязательном порядке.

Схема подключения электродвигателя «звезда-треугольник»

      Существует два способа пуска асинхронного электродвигателя (схема подключения электродвигателя):

     1) Прямой пуск (на обмотки статора подается полное напряжение сети)

     2) Пуск при пониженном напряжении (на обмотки статора подается напряжение меньше полного сетевого напряжения)

      Прямой пуск проще реализовать, он мене затратен, но обладает большим недостатком: при прямом пуске пусковой ток асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором превышает в 5-7 раз номинальный рабочий ток двигателя.

Схема включения обмоток статора “звездой” и “треугольником”

   Поэтому на практике для уменьшения пусковых токов асинхронных двигателей различными способами стараются понизить подводимое к обмоткам статора питающее напряжение.  Одни из способов снижения напряжения на обмотке статора — переключение обмоток статора со “звезды” на “треугольник”.

       Что это дает?

   При подключении обмоток статора соединенных в “звезду” (схема подключения электродвигателя «звезда») к источнику с линейным напряжением 380 В фазное напряжение буде в √3 меньше, т.е. равно 220 В.. Зная сопротивление обмотки статора и приложенное напряжение нетрудно рассчитать по закону Ома:

       При соединении “звездой”:

  

   Если же обмотки статора соединены “треугольником” (схема подключения электродвигателя «треугольник»)  и подключены к линейному напряжению 380 В, то фазное напряжение будет 380 В, следовательно:

      В результате пуск асинхронного двигателя со схемой подключения обмоток статора “звезда” (схема подключения электродвигателя «звезда»)  с дальнейшим переходом на схему “треугольник” (схема подключения электродвигателя «треугольник»), позволяет уменьшить пусковой ток в 3 раза по сравнению с пусковым током при прямом пуске. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором по схеме звезда-треугольник находит особо широкое распространение в тех случаях, когда нагрузка на валу двигателя изменяется после разгона.

      Но тут необходимо помнить, что схема пуска двигателя с переключением “звезда-треугольник” имеет и свой недостаток: уменьшение пускового момента приблизительно на 30 процентов.

Схема переключения обмоток статора

Схема включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с нереверсивным включением

1. Министерство образования и науки Республики Казахстан КГУ «Глубоковский технический колледж» УО ВКО       Тема экзаменационной работы: «

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время перед электромонтерами стоят трудные и
интересные проблемы, которые требуют глубокого знания
теории, проектирования и технологии и электрических
двигателей и аппаратов.
Целью письменной экзаменационной работы является сборка
схемы включения асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором с нереверсивным включением.

3. Схема включения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с нереверсивным включением на 380 В

Схема подключения магнитного пускателя ПМА
Основные характеристики асинхронного
двигателя АИР 80 В4
Рном, кВт
— 1,5
cos φ
— 0,83
Sном, %
-7
Мп /Мном
— 2,2
Мmax/Мном — 2,2
Iп/Iном
— 5,5
Масса, кг
— 12,1

6. Устройство асинхронного двигателя

7. Основные неисправности и способы их устранения

Техника безопасности при обслуживании и ремонте
асинхронного электродвигателя
При проведении планово-предупредительных работ, технического обслуживания, текущих и капитальных ремонтов
электрических машин специалисту необходимо соблюдать технику безопасности при эксплуатации.
И в свою очередь должен знать следующее:
1. Выводы обмоток и кабельные воронки у электродвигателей должны быть закрыты ограждениями, снятие
которых требует отвёртывания гаек или вывинчивания винтов. Снимать эти ограждения во время работы
электродвигателя запрещается. Вращающиеся части электродвигателей: контактные кольца, шкивы, муфты,
вентиляторы — должны быть ограждены.
2. Открывать ящики пусковых устройств электродвигателей, установленных в цехе, когда устройство находится
под напряжением, разрешается для наружного осмотра лицам, имеющим квалификационную группу не ниже 4-ой.
3. Операции по включению и выключению электродвигателей пусковой аппаратурой с приводами ручного
управления должны производиться с применением диэлектрических перчаток или изолирующего основания
(подставки).
4. Включение и отключение выключателей электродвигателей производится дежурным у агрегатов единолично.
5. У работающего синхронного электродвигателя неиспользуемая обмотка и питающий его кабель должны
рассматриваться как находящиеся под напряжением.
6. Работа в цепи пускового реостата работающего электродвигателя допускается лишь при поднятых щетках и
замкнутом накоротко роторе.
Работа в цепях регулировочного реостата работающего электродвигателя должна рассматриваться как работа под
напряжением в цепях до 1000В и производиться с соблюдением мер предосторожности.
Шлифование колец ротора допускается проводить на вращающемся электродвигателе лишь при помощи колодок из
изоляционного материала.
7. Перед началом работы на электродвигателях, приводящих в движение насосы или тягодутьевые механизмы,
должны быть приняты меры, препятствующие вращению электродвигателя со стороны механизма (насос может
работать как турбина, дымосос может начать вращаться в обратную сторону за счёт засоса холодного воздуха через
трубу и т. д.). Такими мерами являются закрытие соответствующих вентилей или шиберов, их заклинивание или
перевязка цепью с запиранием на замок (или снятием штурвала) и вывешиванием плакатов «Не открывать работают люди» или расцеплением муфт.
8. При отсоединении от синхронного электродвигателя питающего кабеля концы всех трёх фаз кабеля должны
быть замкнуты на коротко и заземлены.
Заземление концов кабеля должно производиться посредством специально приспособленного для этой цели
переносного заземления, выполненного в соответствии с общими требованиями.

9. Организационно-экономическая часть. Рабочим местом называется определенный участок производственной площади цеха, мастерской, закреплен

ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Рабочим местом называется определенный участок производственной площади цеха,
мастерской, закрепленный за данным рабочим, предназначенный для выполнения
определенной работы и оснащенный в соответствии с характером этой работы
оборудованием, приспособлениями, инструментами и материалами.
Рабочее место дежурного электромонтера: 1 — передвижной стол; 2—
верстак; 3 — шкаф-стеллаж; 4— стол-табуретка
Электробезопасностью в соответствии с
ГОСТ 12.1.009 называется система
организационных и технических
мероприятий и средств, обеспечивающих
защиту людей от опасного и вредного
воздействия на человека электрического
тока, электрической дуги,
электромагнитного поля и статического
электричества

11. Технические и организационные мероприятия, обеспечивающие безопасность персонала

Организационные
мероприятия:
— оформление работ нарядом или распоряжением, перечнем работ
выполняемых в порядке текущей эксплуатации;
— допуск к работе;
— надзор во время работы;
— оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания
работы.
Технические мероприятия:
— производство необходимых отключений коммутационных аппаратов и
принятие мер, препятствующих подаче напряжения на место работы
вследствие самопроизвольного их включения;
-вывешивание запрещающих плакатов;
-проверка отсутствия напряжения на токоведущих частях;
-наложение заземлений;
-вывешивание указательных плакатов.

12. Средства защиты

Служат для защиты людей от поражения электрическим током, от
воздействия электрической дуги и электромагнитного поля. Средства
защиты подразделяются на основные и дополнительные.
Основными называют такие защитные средства, изоляция которых
надежно выдерживает рабочее напряжения установки.
Дополнительные защитные средства усиливают действие основного
защитного средства
Защитные средства, применяемые при обслуживании
электроустановок

14. Инструменты

ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ
Основные причины возникновения пожаров в электроустановках
* короткие замыкания в электропроводках и электрическом оборудовании;
* воспламенение горючих материалов, находящихся в непосредственной
близости от электроприемников, включенных на продолжительное время
и оставленных без присмотра;
* токовые перегрузки электропроводок и электрооборудования;
* большие переходные сопротивления в местах контактных соединений;
* появление напряжения на строительных конструкциях и
технологическом оборудовании;
* разрыв колб электроламп и попадание раскаленных частиц нити
накаливания на легкогорючие материалы и др.

16. Работая с электрическим током сопровождается большой опасностью для жизни и здоровья человека, поэтому всегда важно помнить о пожаробезо

!
*
Углекислотный
огнетушитель
Кварцевый песок

Способы пуска асинхронного трехфазного двигателя от однофазной сети ~ Электропривод

Как запускать трехфазный асинхронный двигатель от однофазной сети?

Самый простой способ запуска трехфазного двигателя в качестве однофазного, основывается на подключении его третьей обмотки через фазосдвигающее устройство. В качестве такого устройство может выступать активное сопротивление, индуктивность или конденсатор.

 

Прежде, чем подключать трехфазный двигатель в однофазную сеть, необходимо убедиться, что номинальное напряжение его обмоток соответствуют номинальному напряжению сети. Асинхронный трехфазный двигатель имеет три статорных обмотки. Соответственно в клемной коробке должно быть выведено 6 клемм для подключения питания. Если открыть клеммную коробку, то мы увидим борно двигателя. На борно, выведены 3 обмотки двигателя. Их концы подключены к клеммам. На эти клеммы и подключается питание двигателя.

Каждая обмотка имеет начало и конец. Начала обмоток маркируют как С1, С2, С3. Концы обмоток промаркированы соответственно С4, С5, С6. На крышке клемной коробки мы увидим схему включения двигателя в сеть при разных напряжениях питания. Согласно этой схемы мы и должны подключить обмотки. Т..е. если двигатель допускает использование напряжений 380/220, то для его подключения к однофазной сети 220В, необходимо переключить обмотки в схему «треугольник».

Если же его схема подключения допускает 220/127 В, то к однофазной сети 220 В, его необходимо подключать по схеме «звезда», как показано на рисунке.

Схема с пусковым активным сопротивлением

На рисунке показана схемы однофазного включения трехфазного двигателя с пусковым активным сопротивлением. Такая схема используется только в двигателях малой мощности, так как в резисторе теряетя большое количество энергии в виде тепла.

Схемы конденсаторного пуска асинхронного двигателя

Наибольшее распространение получили схемы с конденсаторами. Для изменения направления вращения двигателя необходимо применять переключатель. В идеале для нормальной работы такого двигателя необходимо, чтобы емкость конденсатора изменялась в зависимости от числа оборотов. Но такое условие выполнить довольно трудно, поэтому обычно применяют схему двухступенчатого управления асинхронным электродвигателем. Для работы механизма, приводимого в движение таким двигателем, используют два конденсатора. Один подключается только при запуске, а после окончания пуска его отключают и оставляют только один конденсатор. При этом происходит заметное снижение его полезной мощности на валу до 50…60% от номинальной мощности при включении в трехфазную сеть. Такой пуск двигателя получил название конденсаторного пуска.

При применении пусковых конденсаторов имеется возможность увеличить пусковой момент до величины Мп/Мн=1,6-2. Однако, при этом значительно увеличивается емкость пускового конденсатора, из за чего вырастают его размеры и стоимость всего фазосдвигающего устройства. Для достижения максимального пускового момента, величину емкости необходимо выбирать из соотношения, Xc=Zk, т. е. емкостное сопротивление равно сопротивлению короткого замыкания одной фазы статора. По причине высокой стоимости и габаритов всего фазосдвигающего устройства конденсаторный пуск применяется лишь при необходимости большого пускового момента. В конце пускового периода пусковой обмотки необходимо отключить, в противном случае пусковая обмотка перегреется и сгорит. В качестве пускового устройства можно применять индуктивность— дроссель.

Пуск трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети, через частотный преобразователь

Для пуска и управления трехфазным асинхронным двигателем от однофазной сети, можно применять преобразователь частоты с питанием от однофазной сети. Структурная схема такого преобразователя представлена на рисунке. Пуск трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с помощью преобразователя частоты является одним из самых перспективных. Поэтому именно он наиболее часто используется в новых разработках систем управления регулируемыми электроприводами. Принцип его лежит в том, что, меняя частоту и напряжение питания двигателя, можно в соответствии с формулой, изменять его частоту вращения.

Сам преобразователь состоит состоят из двух модулей, которые обычно заключены в один корпус:
— модуль управления, который управляет функционированием устройства;
— силовой модуль, который питает двигатель электроэнергией.

Применение преобразователя частоты для пуска трехфазного асинхронного двигателя. позволяет значительно снизить пусковой ток, так как электродвигатель имеет жесткую зависимость между током и вращающим моментом. Причем значения пускового тока и момента можно регулировать в достаточно больших пределах. Кроме того с помощью частотного преобразователя можно регулировать обороты двигателя и самого механизма, уменьшая при этом значительную часть потерь в механизме.

Недостатки применения частотного преобразователя для пуска трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети: достаточно высокая стоимость самого преобразователя и периферийных устройств к нему. Появление несинусоидальных помех в сети и снижение показателей качества сети.

Как подключить однофазный электродвигатель, схема запуска

Работа асинхронных электрических двигателей основывается на создании вращающегося магнитного поля, приводящего в движение вал. Ключевым моментом является пространственное и временное смещение обмоток статора по отношению друг к другу. В однофазных асинхронных электродвигателях для создания необходимого сдвига по фазе используется последовательное включение в цепь фазозамещающего элемента, такого как, например, конденсатор.

Содержание:

1. Отличие от трехфазных двигателей
2. Как это работает
3. Основные схемы подключения
4. Другие способы

Подбор конденсатора

Отличие от трехфазных двигателей

Использование асинхронных электродвигателей в чистом виде при стандартном подключении возможно только в трехфазных сетях с напряжением в 380 вольт, которые используются, как правило, в промышленности, производственных цехах и других помещениях с мощным оборудованием и большим энергопотреблением. В конструкции таких машин питающие фазы создают на каждой обмотке магнитные поля со смещением по времени и расположению (120˚ относительно друг друга), в результате чего возникает результирующее магнитное поле. Его вращение приводит в движение ротор.

Однако нередко возникает необходимость подключения асинхронного двигателя в однофазную бытовую сеть с напряжением в 220 вольт (например в стиральных машинах). Если для подключения асинхронного двигателя будет использована не трехфазная сеть, а бытовая однофазная (то есть запитать через одну обмотку), он не заработает. Причиной тому переменный синусоидальный ток, протекающий через цепь. Он создает на обмотке пульсирующее поле, которое никак не может вращаться и, соответственно, двигать ротор. Для того, чтобы включить однофазный асинхронный двигатель необходимо:

1. добавить на статор еще одну обмотку, расположив ее под 90˚ углом от той, к которой подключена фаза.
2. для фазового смещения включить в цепь дополнительной обмотки фазосдвигающий элемент, которым чаще всего служит конденсатор.

Редко для сдвига по фазе создается бифилярная катушка. Для этого несколько витков пусковой обмотки мотаются в обратную сторону. Это лишь один из вариантов бифиляров, которые имеют несколько другую сферу применения, поэтому, чтобы изучить их принцип действия, следует обратиться к отдельной статье.

После подключения двух обмоток такой двигатель с конструкционной точки зрения является двухфазным, однако его принято называть однофазным из-за того что в качестве рабочей выступает лишь одна из них.

Схема подключения коллекторного электродвигателя в 220В

Схема подключения однофазного асинхронного двигателя (схема звезда)

Как это работает

Пуск двигателя с двумя расположенными подобным образом обмотками приведет к созданию токов на короткозамкнутом роторе и кругового магнитного поля в пространстве двигателя. В результате их взаимодействия между собой ротор приводится в движение. Контроль показателей пускового тока в таких двигателях осуществляется частотным преобразователем.

Несмотря на то, что функцию фаз определяет схема присоединения двигателя к сети, дополнительную обмотку нередко называют пусковой. Это обусловлено особенностью, на которой основывается действие однофазных асинхронных машин – крутящийся вал, имеющий вращающее магнитное поле, находясь во взаимодействии с пульсирующим магнитным полем может работать от одной рабочей фазы. Проще говоря, при некоторых условиях, не подсоединяя вторую фазу через конденсатор, мы могли бы запустить двигатель, раскрутив ротор вручную и поместив в статор. В реальных условиях для этого необходимо запустить двигатель с помощью пусковой обмотки (для смещения по фазе), а потом разорвать цепь, идущую через конденсатор. Несмотря на то, что поле на рабочей фазе пульсирующее, оно движется относительно ротора и, следовательно, наводит электродвижущую силу, свой магнитный поток и силу тока.

Основные схемы подключения

В качестве фазозамещающего элемента для подключения однофазного асинхронного двигателя можно использовать разные электромеханические элементы (катушка индуктивности, активный резистор и др.), однако конденсатор обеспечивает наилучший пусковой эффект, благодаря чему и применяется для этого чаще всего.

однофазный асинхронный двигатель и конденсатор

Различают три основные способа запуска однофазного асинхронного двигателя через:

• рабочий;
• пусковой;
• рабочий и пусковой конденсатор.

В большинстве случаев применяется схема с пусковым конденсатором. Это связано с тем, что она используется как пускатель и работает только во время включения двигателя. Дальнейшее вращение ротора обеспечивается за счет пульсирующего магнитного поля рабочей фазы, как уже было описано в предыдущем абзаце. Для замыкания цепи пусковой цепи зачастую используют реле или кнопку.

Поскольку обмотка пусковой фазы используется кратковременно, она не рассчитана на большие нагрузки, и изготавливается из более тонкой проволоки. Для предотвращения выхода её из строя в конструкцию двигателей включают термореле (размыкает цепь после нагрева до установленной температуры) или центробежный выключатель (отключает пусковую обмотку после разгона вала двигателя).

Таким путем достигаются отличные пусковые характеристики. Однако данная схема обладает одним существенным недостатком – магнитное поле внутри двигателя, подключенного к однофазной сети, имеет не круговую, а эллиптическую форму. Это увеличивает потери при преобразовании электрической энергии в механическую и, как следствие, снижает КПД.

Схема с рабочим конденсатором не предусматривает отключение дополнительной обмотки после запуска и разгона двигателя. В данном случае конденсатор позволяет компенсировать потери энергии, что приводит к закономерному увеличению КПД. Однако в пользу эффективности проходится жертвовать пусковыми характеристиками.

Для работы схемы необходимо подбирать элемент с определенной ёмкостью, рассчитанной с учетом тока нагрузки. Неподходящий по емкости конденсатор приведет к тому, что вращающееся магнитное поле будет принимать эллиптическую форму.

Своеобразной «золотой серединой» является схема подключения с использованием обоих конденсаторов – и пускового, и рабочего. При подключении двигателя таким способом его пусковые и рабочие характеристики принимают средние значения относительно описанных выше схем.

На практике для приборов, требующих создания сильного пускового момента используется первая схема с соответствующим конденсатором, а в обратной ситуации – вторая, с рабочим.

Другие способы

При рассмотрении методов подключения однофазных асинхронных двигателей нельзя обойти внимание два способа, конструктивно отличающихся от схем для подключения через конденсатор.

С экранированными полюсами и расщепленной фазой

В конструкции такого двигателя используется короткозамкнутая дополнительная обмотка, а на статоре присутствуют два полюса. Аксиальный паз делит каждый из них на две несимметричные половины, на меньшей из которых располагается короткозамкнутый виток.

После включения двигателя в электрическую сеть пульсирующий магнитный поток разделяется на 2 части. Одна из них движется через экранированную часть полюса. В результате получается два разнонаправленных потока с отличной от основного поля скоростью вращения. Благодаря индуктивности появляется электродвижущая сила и сдвиг магнитных потоков по фазе и времени.

Витки короткозамкнутой обмотки приводят к существенным потерям энергии, что и является главным недостатком схемы, однако она относительно часто используется в климатических и нагревательных приборах с вентилятором.

С асимметричным магнитопроводом статора

Особенностью двигателей с данной конструкцией заключается в несимметричной форме сердечника, из-за чего появляются явно выраженные полюса. Для работы схемы необходим короткозамкнутый ротор и обмотка в виде беличьей клетки. Характерным отличием этой конструкции является отсутствие необходимости в фазовом смещении. Улучшенный пуск двигателя осуществляется благодаря оснащению его магнитными шунтами.

Среди недостатков этих моделей асинхронных электродвигателей выделяют низкий КПД, слабый пусковой момент, отсутствие реверса и сложность обслуживания магнитных шунтов. Но, несмотря на это, они имеют широкое применение в производстве бытовой техники.

Подбор конденсатора

Перед тем как подключить однофазный электродвигатель, необходимо произвести расчет необходимой ёмкости конденсатора. Это можно сделать самостоятельно или воспользоваться онлайн-калькуляторами. Как правило, для рабочего конденсатора на 1 кВт мощности должно приходиться примерно 0,7-0,8 мкФ емкости, и около 1,7-2 мкФ – для пускового. Стоит отметить, что напряжение последнего должно составлять не менее 400 В. Эта необходимость обусловлена возникновением 300-600 вольтного всплеска напряжения при старте и останове двигателя.

Керамический и электролитический конденсатор

Ввиду своих функциональных особенностей однофазные электродвигатели находят широкое применение в бытовой технике: пылесосах, холодильниках, газонокосилках и других приборов, для работы которых достаточно частоты вращения двигателя до 3000 об/мин. Большей скорости, при подключении к стандартной сети с частотой тока в 50 Гц, невозможно. Для развития большей скорости используют коллекторные однофазные двигатели.

Схемы замещения асинхронного двигателя | мтомд.инфо

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

Полная схема замещения асинхронного двигателя при вращающемся роторе отличается от схемы замещения асинхронного двигателя с заторможенным ротором только наличием в цепи ротора активного сопро­тивления, зависящего от нагрузки (рис. 1, а). Эту схему замещения называют Т-образной. Следовательно, и в этом случае удается свести теорию асинхронной машины к теории трансформатора. Векторная диаграмма для Т-образной схе­мы замещения приведена здесь.

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 1

Сопротивления намагничивающего контура значительно меньше соответствующих значений для схемы замещения трансформатора, так как ток холостого хода асинхронного двигателя гораздо больше, чем у трансформа­тора. Если при рассмотрении работы трансформатора часто можно пренебречь намагничивающим контуром, то при рассмотрении работы асинхронного двигателя этого сделать нельзя,  так как  ошибка может  получиться значительной.

Сопротивление r₂‘(1 — S)/S можно рассматривать как внешнее сопротивление, включенное в обмотку ротора. Оно является единственным переменным параметром схемы. Изменение этого сопротивления эквивалентно изменению нагрузки на валу двигателя, а следовательно, изменению скольжения S.

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Можно упростить вычисле­ния, преобразовав Т-образную схему замещения в Г-образную, как это показано на рисунке 2, позиции а. Для Г-образной схемы замещения имеем:

Г-образная схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 2

При анализе электромагнитных процессов в машинах общего применения часто полагают С₁≈1, что существенно облегчает расчеты и мало влияет на точность полученных результатов. Г-образную схему замещения при С₁ = 1 называют упрощенной схемой замещения с вынесенным намагничивающим контуром (рис. 2, б).

Эквивалентная схема асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель — это асинхронный двигатель, т. Е. Его скорость изменяется при изменении нагрузки. Он всегда работает с запаздывающим коэффициентом мощности. Принцип работы асинхронного двигателя аналогичен трансформатору, т. Е. На электромагнитной индукции.

Эквивалентная схема асинхронного двигателя аналогична эквивалентной схеме трансформатора, потому что энергия, передаваемая от статора к ротору, важна, поскольку трансформатор работает от первичной обмотки ко вторичной.Эквивалентная схема обеспечивает рабочие характеристики асинхронного двигателя. Данные, полученные из эквивалентной схемы, можно использовать для расчета КПД, крутящего момента, потерь, мощности ротора и т. Д. При представлении эквивалентной схемы используются все величины, относящиеся к каждой фазе.

Эквивалентная цепь

асинхронного двигателя:

Для разработки эквивалентной схемы асинхронного двигателя используются следующие различные параметры:

• R ₁ и X ₁ : сопротивление обмотки статора и реактивное сопротивление рассеяния.
• R ₂ & X ₂ : Сопротивление обмотки ротора и реактивное сопротивление утечки в состоянии покоя (т. Е. S = 1).
• sX ₂ : Реактивное сопротивление утечки ротора при скольжении s (в рабочем состоянии).
• R _o : Сопротивление ветви холостого хода, и она несет рабочую составляющую (I _w ) тока холостого хода. I _o учитывают потери на холостом ходу.
• X _o : Реактивное сопротивление ветви холостого хода и несет намагничивающую составляющую (I _µ ) холостого хода для создания магнитного потока.
• E ₁ и sE ₂ : ЭДС, индуцированная статором, и ЭДС, индуцированная ротором при скольжении s.

Из приведенных выше параметров эквивалентную схему асинхронного двигателя можно составить как

Рассмотрим схему собственно ротора двигателя.

Из приведенной выше диаграммы ток ротора I

₂ определяется выражением,

Здесь мы знаем, что входная мощность ротора P

₂ представляет собой сумму потерь в меди в роторе P _c и развиваемой механической мощности P _m .Таким образом, можно представить электрический эквивалент развиваемой механической мощности следующим образом:

Чтобы показать эквивалентную механическую нагрузку (преобразование механической энергии) в цепи ротора. Эквивалентная схема двигателя может быть изменена как,

Теперь перенесите параметры со стороны ротора на сторону статора. При смещении параметров стороны ротора в сторону статора мы должны разделить его на значение «K» (где K = отношение эффективного числа оборотов ротора к числу оборотов статора на фазу), за исключением тока ротора, где он умножается на «K».Когда параметры ротора сдвигаются, они могут быть представлены как,

• R ‘ ₂ = Сопротивление ротора относительно статора.
• X ‘ ₂ = Реактивное сопротивление ротора относительно статора.
• E ‘ ₂ = ЭДС, индуцированная ротором. относится к статору.
• I ‘ ₂ = Ток ротора относительно статора.
• R ‘ _L = Механическая нагрузка ротора, эквивалентная статору.

Эквивалентная схема может быть дополнительно модифицирована, как показано ниже, и она известна как точная эквивалентная схема применительно к статору.

Где,

Таким образом, приблизительная эквивалентная схема получается путем смещения ответвления шунта (состоит из R

₀₁ и X ₀₁ ) к клеммам питания, как показано на рисунке ниже. Это упрощение позволит упростить вычисления.

Таким образом, полное сопротивление со стороны статора равно

.

Точно так же полное реактивное сопротивление, относящееся к стороне статора, составляет

Расчет мощности ротора и крутящего момента с использованием эквивалентной схемы:

Из эквивалентной схемы можно получить выражения для крутящего момента T и выходной мощности ротора P

_o двигателя.

Из приведенной выше диаграммы мощность, потребляемая P

_и ротору, равна,

Мы можем написать:

P _i = SP _i + P _i — SP _i (добавляя и вычитая SP _i )

P _i = SP _i + ( 1 — S) P _i

Это выражение показывает, что входная мощность ротора P _i представляет собой сумму падения напряжения в цепи ротора из-за его сопротивления, как SP _i , и эквивалентного сопротивления, представляющего механическую нагрузку. (1 — S) П _и .

Исходя из вышеизложенного, мощность ротора P _o определяется выражением

Мы знаем, что ток ротора I

₂ ,

Подставляя значение I

₂ в уравнение (1), получаем

Мы знаем, что вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя, создаваемое обмоткой статора, вращается с синхронной скоростью N

_с . Тогда крутящий момент, приложенный к ротору из-за вращающегося магнитного поля статора, будет T. Теперь мощность, передаваемая от статора к ротору, равна,

Приравнивая уравнения (2) и (3), получаем,

Следовательно, уравнение крутящего момента выводится из эквивалентной схемы, и различные расчеты производительности могут быть выполнены из приведенных выше уравнений.2R_2 \]

Потери в сердечнике или потеря в железе. Потери из-за вихревых токов и гистерезисных потерь в пластинах. Это можно рассчитать с помощью резистора \ (R_c \). Иногда потери в сердечнике объединяются с трением, ветровой нагрузкой и паразитными потерями. как вращательные потери.

Мощность ротора

Мощность, передаваемая на ротор, называется «мощностью воздушного зазора». Рассмотрим эквивалент Схема ниже (сопротивление потерь в сердечнике было удалено, а потери в сердечнике сгруппированы в потери при вращении).2R_2 \ frac {1-s} {s} \]

Из приведенных выше уравнений видно, что мощность, преобразуемая в механическую систему, является функцией мощности воздушного зазора и скольжения:

\ [ P_ {conv} = (1-s) P_ {gap} \]

Конечная выходная мощность может быть получена путем вычитания потерь на вращение из \ (P_ {conv} \).

\ [ P_ {out} = P_ {conv} -P_ {ротация} \]

Схема, эквивалентная

асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель эквивалентен вращающемуся трансформатору.Следовательно, мы можем нарисовать эквивалентную схему асинхронного двигателя с помощью эквивалентной схемы трансформатора.

Базовая эквивалентная схема асинхронного двигателя показана на рис., Который очень похож на схему трансформатора.

Здесь R ₁ и X ₁ — значения фазного сопротивления статора и реактивного сопротивления утечки статора.

E ₁ — это напряжение на фазу статора, а N ₁ — количество витков статора на фазу, тогда как R ₂ сопротивление ротора на фазу и sX ₂ — реактивное сопротивление ротора на каждую фазу в рабочем состоянии.

Сопротивление R _o — это сопротивление холостого хода на фазу, которое представляет сопротивление потерь в сердечнике, а X _o представляет собой намагничивающую составляющую тока статора без нагрузки, аналогичную намагничивающей составляющей первичной обмотки без нагрузки. ток трансформатора.

В ₁ — напряжение питания статора на фазу. E ₁ — наведенное на фазу статора напряжение

E _2r = sE ₂ — наведенное на фазу ЭДС ротора (в рабочем состоянии)

• где, s = скольжение, E ₂ = наведенная ЭДС в роторе в состоянии покоя.

Ток ротора I _2r определяется как,

I _2r = sE ₂ / [R ₂ ² + (sX ₂ ) ² ] ^1/2
= E ₂ / [(R ₂ / s) ² + X ₂ ² ] ^1/2

Из приведенного выше выражения ясно, что цепь ротора фактически состоит из фиксированное сопротивление R ₂ и переменное реактивное сопротивление sX ₂ , подключенные через E _2r = sE ₂ , эквивалентны цепи ротора с фиксированным реактивным сопротивлением X ₂ , соединенной последовательно с переменным сопротивлением R ₂ / с и питается постоянным напряжением E ₂ .

Сопротивление ₂ / с можно выразить в виде двух частей:
R ₂ / с = ₂ + R ₂ (1 / с — 1)

• были, первая часть R ₂ — это сопротивление ротора и представляет потери в меди ротора.
• , а вторая часть R ₂ (1 / с — 1) — сопротивление нагрузки R _L . Это электрический эквивалент механической нагрузки на двигатель . Это электрическая мощность, которая преобразуется двигателем в механическую.

Следовательно, эквивалентная схема ротора асинхронного двигателя может быть изображена как показано ниже.

Мы можем нарисовать эквивалентную схему асинхронного двигателя со стороны статора или ротора, как у трансформатора.

Эквивалентная схема трехфазного асинхронного двигателя, относящаяся к статору , показана на фиг. Здесь все параметры относятся к обмотке статора.
Мы знаем, что коэффициент трансформации
, k = E ₂ / E ₁
Все параметры ротора передаются на сторону статора следующим образом:
E _2r ’= E _2r / k
I ’ ₂ r = kI _2r
X ’ ₂ = X ₂ / k ² и R’ ₂ = R ₂ / k ²

Примерная эквивалентная схема трехфазного асинхронного двигателя

Компоненты цепи холостого хода R _o и X _o могут быть сдвинуты влево от R ₁ и X ₁ , чтобы получить приблизительную эквивалентную схему асинхронного двигателя.

Здесь R _o1 = R ₁ + R ‘ ₁

— эквивалентное сопротивление асинхронного двигателя относительно статора, а X _o1 = X ₁ + X’ ₁ — эквивалентное реактивное сопротивление. асинхронного двигателя относится к статору.

Трехфазный асинхронный двигатель | Все сообщения

© https://yourelectricalguide.com/ эквивалентная схема асинхронного двигателя.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ — прикладное промышленное электричество

После внедрения Эдисоном в США системы распределения электроэнергии постоянного тока начался постепенный переход к более экономичной системе переменного тока.Освещение работало как на переменном, так и на постоянном токе. Передача электрической энергии на более длинные расстояния с меньшими потерями с помощью переменного тока. Однако у двигателей была проблема с переменным током. Первоначально двигатели переменного тока были сконструированы как двигатели постоянного тока, но возникли многочисленные проблемы из-за изменения магнитных полей.

Рисунок 5.1 Схема семейства электродвигателей переменного тока

Чарльз П. Стейнмец внес свой вклад в решение этих проблем, рассмотрев гистерезисные потери в железной арматуре.Никола Тесла представил себе совершенно новый тип двигателя, когда он представил вращающуюся турбину, вращающуюся не водой или паром, а вращающимся магнитным полем. Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой в ​​отрасли. Его прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы. Тем не менее, небольшие щеточные электродвигатели переменного тока, аналогичные разнообразным электродвигателям постоянного тока, сохраняются в небольших приборах вместе с небольшими асинхронными электродвигателями Tesla. Выше одной лошадиных сил (750 Вт) царит мотор Tesla.

Современные твердотельные электронные схемы приводят в действие бесщеточные двигатели постоянного тока с помощью сигналов переменного тока, генерируемых источником постоянного тока. Бесщеточный электродвигатель постоянного тока, фактически электродвигатель переменного тока, заменяет обычный щеточный электродвигатель постоянного тока во многих приложениях. И шаговый двигатель , цифровая версия двигателя, приводится в движение прямоугольными волнами переменного тока, опять же, генерируемыми твердотельной схемой. На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, описанных в этой главе.

Круизные лайнеры и другие крупные суда заменяют карданные валы с редукторами на большие многомегаваттные генераторы и двигатели.Так было с тепловозами меньшего масштаба в течение многих лет.

Рисунок 5.2 Диаграмма уровней моторной системы

На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и тока, преобразуя ее в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электроэнергии теряется на тепло, другой вид энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя.Тепло — нежелательный побочный продукт этого преобразования. Его необходимо снимать с двигателя, так как это может отрицательно сказаться на долговечности. Таким образом, одна из целей — максимизировать КПД двигателя, уменьшая тепловые потери. Двигатели переменного тока также имеют некоторые потери, с которыми не сталкиваются двигатели постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели пользуются популярностью из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году создал модель мощностью в половину лошадиных сил (400 Вт).Тесла продала права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов. Наиболее крупными (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленными двигателями являются многофазные асинхронные двигатели . Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько различных обмоток на полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими синусоидальными волнами со сдвигом во времени. На практике это две-три фазы. Крупные промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными.Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, как трансформатор, в отличие от коллекторного двигателя постоянного тока с коллектором.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора, содержащего обмотки, подключенные к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, представленный ниже, похож на двигатель мощностью 1/2 лошадиные силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Рисунок 5.3 Многофазный асинхронный двигатель Tesla

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам имеющейся электрической энергии. Статор двухфазного асинхронного двигателя выше имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу, пока фаза переменного тока не изменит полярность.Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90 ° к первой паре. Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90 ° в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока. Статор на рисунке выше имеет выступающих полюса, явно выступающих полюса, которые использовались в ранних асинхронных двигателях Tesla. Эта конструкция используется по сей день для двигателей с малой мощностью (<50 Вт). Однако для более крупных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД достигается, если катушки встроены в пазы, вырезанные в пластинах статора (рисунок ниже).

Рисунок 5.4 Рама статора с пазами для обмоток

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, пробитыми из листов электротехнической стали. Набор из них закреплен концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые кожухи.

Рисунок 5.5 Статор с обмотками 2-φ (а) и 3-φ (б)

На рисунке выше обмотки двухфазного и трехфазного двигателей установлены в пазы статора.Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания. Фактические обмотки статора более сложны, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше. Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Tesla 2-φ с явными полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях обмотка полюса разделена на идентичные катушки, вставленные во множество пазов меньшего размера, чем указано выше. Эта группа называется фазовой лентой (см. Рисунок ниже).Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля по полюсу. Это показано в разделе синхронного двигателя. В прорезях на краю стойки может быть меньше витков, чем в других прорезях. Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

Рисунок 5.6 Перекрытие фазовых лент

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чем свидетельствует простой ротор (рисунок ниже).Ротор состоит из вала, стального пластинчатого ротора и встроенной беличьей клетки из меди или алюминия , показанной на (b), снятой с ротора. По сравнению с якорем двигателя постоянного тока, здесь нет коммутатора. Это устраняет щетки, искрение, искрение, графитовую пыль, регулировку и замену щеток, а также повторную обработку коллектора.

Рисунок 5.7 Многослойный ротор с (а) встроенной беличьей клеткой, (б) токопроводящей клеткой, удаленной с ротора

Проводники в короткозамкнутой клетке могут быть перекошены, перекручены относительно вала.Несоосность пазов статора снижает пульсации крутящего момента. Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Сплав, используемый в пластинах, выбран с учетом низких гистерезисных потерь.

Теория работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое волочит ротор. Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле.Один из способов создания вращающегося магнитного поля — вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии магнитного потока, разрезающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, ток в проводящем диске. Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противодействует движению постоянного магнита — Закон Ленца . Полярность электромагнита такова, что он притягивается к постоянному магниту.Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Рисунок 5.8 Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству линий магнитного потока, разрезающих диск, и скорости, с которой он разрезает диск. Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни индуцированного тока, ни поля электромагнита, ни крутящего момента.Таким образом, скорость диска всегда будет ниже скорости вращающегося постоянного магнита, так что магнитные линии, разрезающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом. Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий магнитного потока разрезают диск. Крутящий момент пропорционален скольжению , степени, на которую диск отстает от вращающегося магнита. Большее скольжение соответствует большему потоку, разрезающему проводящий диск, создавая больший крутящий момент.В основе аналогового автомобильного вихретокового спидометра лежит принцип, проиллюстрированный выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита. Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, управляемыми токами, которые не совпадают по фазе на 90 °. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с диаграммами Лиссажу на осциллографах.

Рисунок 5.9 В противофазе (90 °) синусоидальные волны образуют круговую диаграмму Лиссажу

В противофазе (90 °) синусоидальные волны образуют круговую диаграмму Лиссажу На приведенном выше рисунке круговая диаграмма Лиссажу создается при подаче горизонтального и вертикального входных сигналов осциллографа с отклонением по фазе синусоидальных волн на 90 °.Начиная с (a) с максимальным отклонением «X» и минимальным «Y», след перемещается вверх и влево в направлении (b). Между (a) и (b) две формы волны равны 0,707 Vpk при 45 °. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус круга между (a) и (b). След перемещается в (b) с минимальным отклонением «X» и максимальным «Y». При максимальном отрицательном отклонении «X» и минимальном отклонении «Y» след перемещается в (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он переходит в (d), а затем обратно в (a), завершая один цикл.

Рисунок 5.10 Окружность синуса по оси X и косинуса по оси Y

На рисунке показаны две синусоидальные волны с фазовым сдвигом на 90 °, приложенные к отклоняющим пластинам осциллографа, расположенным под прямым углом в пространстве. Комбинация фазированных синусоидальных волн на 90 ° и отклонения под прямым углом дает двумерный узор — круг. Этот круг очерчен электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора.На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов. Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об / мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об / мин. 3600 и 3000 об / мин — это синхронная скорость двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это определенно верхний предел.Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость сократится вдвое, потому что магнитное поле вращается в пространстве на 180 ° на 360 ° электрической синусоидальной волны.

Рисунок 5.11 Удвоение полюсов статора уменьшает синхронную скорость вдвое

Синхронная скорость определяется по формуле:

[латекс] N_s = \ frac {120 \ cdot f} {P} [/ латекс]

Где:

Н _с = Скорость магнитного поля (об / мин)

f = частота подаваемой мощности (Гц)

P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

На приведенном выше рисунке «половинная скорость» четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц составляет: S = 120 · 50/4 = 1500 об / мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, увлекает за собой ротор. Более длинное и более правильное объяснение заключается в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, которые составляют трансформатор. вторичный. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с полем вращающегося статора. Результат — вращение ротора с короткозамкнутым ротором. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, сопротивления ветра или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью. Однако скольжение между ротором и полем статора синхронной скорости развивает крутящий момент. Именно магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет скользить пропорционально механической нагрузке.Если бы ротор работал с синхронной скоростью, не было бы потока статора, разрезающего ротор, не было бы тока, индуцированного в роторе, не было бы крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

При первой подаче энергии на двигатель ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N _s . Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N _с . Ток, индуцированный в закороченных витках ротора, является максимальным, как и частота тока, частота сети.По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой магнитный поток статора сокращает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N _с и фактической скоростью N ротора, или (N _с — N). Отношение фактического потока, разрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

[латекс] s = \ frac {(N_s — N)} {N_s} [/ латекс]

Где:

Н _с = синхронная скорость

N = частота вращения ротора

Частота тока, наведенного в проводники ротора, равна только частоте сети при пуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется по:

[латекс] f_r = s \ cdot f [/ латекс]

Где:

с = скольжение,

f = частота сети статора

Скольжение при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или меньше в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе:

f _r = S (f)
= 0,05 (50 Гц)
= 2,5 Гц.

Почему так мало? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц.Скорость вращения ротора на 5% меньше. Вращающееся магнитное поле режет ротор только с частотой 2,5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора. Если ротор вращается немного быстрее при синхронной скорости, поток вообще не будет резать ротор, f _r = 0.

Рисунок 5.12 Зависимость крутящего момента и скорости от% скольжения.

На приведенном выше графике показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент заторможенного ротора (T _LR ), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (T _FL ), безопасного продолжительного крутящего момента.Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175% от T _FL для приведенного выше примера двигателя. Пусковой ток, известный как , ток заторможенного ротора (I _LR ) составляет 500% от тока полной нагрузки (I _FL ), безопасного рабочего тока. Ток большой, потому что это аналог закороченной вторичной обмотки трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как тяговый момент . Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80% синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175% до 300% крутящего момента полной нагрузки. Этот пробойный крутящий момент (T _BD ) происходит из-за большего, чем обычно, 20% скольжения. Сила тока на этом этапе уменьшилась лишь незначительно, но после этой точки будет быстро уменьшаться. Когда ротор ускоряется с точностью до нескольких процентов от синхронной скорости, как крутящий момент, так и ток значительно уменьшаются. При нормальной работе скольжение будет составлять всего несколько процентов. Для работающего двигателя любой участок кривой крутящего момента ниже 100% номинального крутящего момента является нормальным.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100% в течение нескольких секунд во время запуска, продолжительная работа выше 100% может привести к повреждению двигателя. Любая крутящая нагрузка двигателя, превышающая крутящий момент пробоя, приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю в условиях нагрузки «без механического крутящего момента». Это состояние аналогично разомкнутому вторичному трансформатору. Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, которые значительно отличаются от кривой крутящего момента, приведенной выше.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (T _LR ) для двигателей различных конструкций и размеров составляет от 60% до 350% момента полной нагрузки (T _FL ). Пусковой ток или ток заторможенного ротора (I _LR ) может находиться в диапазоне от 500% до 1400% от тока полной нагрузки (I _FL ). Этот потребляемый ток может вызвать проблемы с запуском больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для удовлетворения этих требований к приводам. Аналогичные классы N и H Международной электротехнической комиссии (IEC) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Рисунок 5.13 Характеристики для проектов NEMA

Характеристики для проектов NEMA

Все двигатели, за исключением класса D, работают со скольжением 5% или менее при полной нагрузке.

• Класс B (IEC Class N) Двигатели используются по умолчанию в большинстве приложений.При пусковом моменте LRT = от 150% до 170% от FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
• Пусковой момент класса A такой же, как у класса B. Пусковой момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель справляется с кратковременными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
• Класс C (IEC Class H) имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем классы A и B при LRT = 200% от FLT.Этот двигатель применяется для тяжелых пусковых нагрузок, которые необходимо приводить в действие с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
• Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (LRT) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Высокое скольжение приводит к более низкой скорости. Регулировка скорости плохая. Тем не менее, двигатель отлично справляется с нагрузками с переменной скоростью, например с маховиком для аккумулирования энергии. Применения включают пробивные прессы, ножницы и подъемники.
• Двигатели класса E являются версией класса B с более высоким КПД.
• Двигатели класса F имеют гораздо более низкие LRC, LRT и крутящий момент, чем у класса B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели

имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности от линии электропередачи. Коэффициент мощности больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателей может достигать 90% для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.Коэффициент мощности малых тихоходных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере достижения ротором скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротора) к первичной обмотке (статору). Таким образом, в линии электропередачи присутствует реактивная нагрузка до 10% коэффициента мощности. Когда ротор нагружен, возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

Рисунок 5.14 Коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя

КПД асинхронного двигателя

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера, и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. Эффективность малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкая, потому что большая часть тока связана с поддержанием намагничивающего потока. Когда нагрузка крутящего момента увеличивается, больше тока потребляется для создания крутящего момента, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным.Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при FLT 50% и снижается еще на несколько процентов при FLT 25%. Эффективность становится низкой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Индукционные двигатели обычно имеют завышенные размеры, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может быть запущена и приведена в действие во всех рабочих условиях. Если многофазный двигатель нагружен менее 75% номинального крутящего момента, когда КПД достигает пика, КПД страдает лишь незначительно до 25% FLT.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей в конце 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, имеется возможность экономии энергии в частично загруженных двигателях, в частности в двигателях 1-φ. Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно фиксирована по отношению к изменениям нагрузки.Хотя в полностью загруженном двигателе экономить нечего, напряжение частично загруженного двигателя может быть уменьшено для уменьшения энергии, необходимой для поддержания магнитного поля. Это повысит коэффициент мощности и эффективность. Это была хорошая концепция для заведомо неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась. Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокого КПД (90% +) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95% по-прежнему имеет КПД 94% при 50% крутящем моменте при полной нагрузке (FLT) и 90% КПД при 25% FLT.Потенциальная экономия энергии при переходе от 100% FLT к 25% FLT составляет разницу в эффективности 95% — 90% = 5%. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени простаивает (ниже 25% FLT), например к пробивному прессу. Срок окупаемости дорогостоящего электронного контроллера был оценен как непривлекательный для большинства приложений. Хотя он может быть экономичным в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если это привод

.

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100% синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким% «отрицательного» скольжения, скажем, -1%. Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор продвигается на 1% быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора. Обычно он отстает в двигателе на 1%.Поскольку ротор разрезает магнитное поле статора в противоположном направлении (впереди), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

Рисунок 5.15 Отрицательный крутящий момент превращает асинхронный двигатель в генератор

Такой индукционный генератор должен возбуждаться «живым» источником мощностью 50 или 60 Гц. В случае сбоя в электроснабжении энергокомпании выработка электроэнергии невозможна. Этот тип генератора не подходит в качестве резервного источника питания.Преимущество ветряного генератора вспомогательной энергии состоит в том, что он не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это безотказно.

Небольшие удаленные (от электросети) установки могут быть выполнены с самовозбуждением путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если снять нагрузку, остаточный магнетизм может вызвать небольшой ток. Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор достигает полной скорости, ток увеличивается, чтобы подать ток намагничивания на статор.В этот момент может быть приложена нагрузка. Слабое регулирование напряжения. Асинхронный двигатель может быть преобразован в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в доведении ветряной турбины до скорости в двигательном режиме путем подачи на статор нормального напряжения линии электропередачи. Любая вызванная ветром скорость турбины, превышающая синхронную, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.В то время как асинхронный двигатель представляет собой отстающий коэффициент мощности для линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока представляет собой ведущий коэффициент мощности. Индукционные генераторы не получили широкого распространения на обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины является постоянной и регулируемой в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и скорость ветра может изменяться порывами. Асинхронный генератор лучше справляется с этими колебаниями из-за собственного проскальзывания.Это меньше нагружает зубчатую передачу и механические компоненты, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, индукционный генератор, подключенный к прямой линии, считается ветряной турбиной с фиксированной скоростью (см. Асинхронный генератор с двойным питанием для истинного генератора переменного тока с регулируемой скоростью). Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать, чтобы обеспечить высокую и низкую скорость, чтобы приспособиться к переменным ветровым условиям.

Асинхронные двигатели с несколькими полями

Асинхронные двигатели

могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотки, соответствующие синхронным скоростям вращения 1800 и 900 об / мин.Подать питание на то или иное поле менее сложно, чем на повторное подключение катушек статора.

Рисунок 5.16 Несколько полей позволяют изменять скорость

Если поле сегментировано с выведенными выводами, его можно изменить (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5 ° переключаются на сегменты 45 °. Для ясности выше показана только проводка для одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеуказанного двигателя 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 до 3600 об / мин.

Q: Если двигатель приводится в движение частотой 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?

А:

[латекс] N_s = \ frac {120f} {P} [/ latex] [latex] N_s = \ frac {120 * 50Hz} {4} [/ latex] [latex] = 1500 об / мин (4-полюсный) [ / латекс]

[латекс] N_s = \ frac {120f} {P} [/ latex] [latex] N_s = \ frac {120 * 50Hz} {2} [/ latex] [latex] = 3000 об / мин (2-полюсный) [ / латекс]

Двигатели асинхронные с переменным напряжением

Скорость малых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких применений, как приводные вентиляторы, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения.Это снижает крутящий момент, доступный нагрузке, что снижает скорость (см. Рисунок ниже).

Рисунок 5.17 Регулирование переменного напряжения, скорость асинхронного двигателя

Электронное регулирование скорости в асинхронных двигателях

Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя сетевую частоту 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также снижает реактивное сопротивление X _L , что увеличивает ток статора.Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими последствиями. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при уменьшении частоты.

Рисунок 5.18 Электронный частотно-регулируемый привод

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако необходимо увеличить напряжение, чтобы преодолеть увеличивающееся реактивное сопротивление, чтобы поддерживать ток на уровне нормального значения и поддерживать крутящий момент. Инвертор приближает синусоидальные волны к двигателю с помощью выходов с широтно-импульсной модуляцией.Это прерывистый сигнал, который может быть включен или выключен, высокий или низкий, процент времени включения соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

Когда для управления асинхронным двигателем применяется электроника, становится доступно множество методов управления, от простых до сложных:

• Скалярное управление: Недорогой метод, описанный выше, для управления только напряжением и частотой без обратной связи.
• Векторное управление: Также известно как векторное управление фазой.Компоненты тока статора, создающие магнитный поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в реальном времени для улучшения кривой крутящего момента двигателя. Это требует больших вычислений.
• Прямое управление крутящим моментом: Продуманная адаптивная модель двигателя обеспечивает более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменения нагрузки.

• Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
• Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, следовательно, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
• В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели самозапускаются.
• Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию питания, обеспечивая при этом больший пусковой крутящий момент, чем требуется во время работы.Снижение линейного тока Пускатели требуются только для больших двигателей.
• Трехфазные двигатели при запуске будут работать от однофазных.
• Статический преобразователь фазы — это трехфазный двигатель, работающий на одной фазе без нагрузки на вал и генерирующий трехфазный выходной сигнал.
• Несколько обмоток возбуждения можно перемонтировать для работы с несколькими дискретными скоростями двигателя, изменив количество полюсов.

Трехфазный двигатель может работать от однофазного источника питания.Однако он не запускается самостоятельно. Его можно запустить вручную в любом направлении, набрав скорость за несколько секунд. Он будет развивать только 2/3 номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.

Рисунок 5.19 Двигатель 3-фазн. Питается от мощности 1-фазн., Но не запускается.

Одинарная катушка однофазного двигателя

Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной напряженности при электрическом напряжении 0 ° и 180 °.

Рисунок 5.20 Однофазный статор создает невращающееся пульсирующее магнитное поле

Другая точка зрения состоит в том, что одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создает два вектора магнитного поля, вращающихся в противоположных направлениях, совпадающих дважды за оборот при 0 ° (рисунок выше-a) и 180 ° (рисунок e). Когда векторы поворачиваются на 90 ° и -90 °, они отменяются на рисунке c. При 45 ° и -45 ° (рисунок b) они частично складываются по оси + x и сокращаются по оси y. Аналогичная ситуация существует на рисунке d.Сумма этих двух векторов — это вектор, неподвижный в пространстве, но чередующийся во времени. Таким образом, пусковой крутящий момент не создается.

Однако, если ротор вращается вперед со скоростью немного меньшей, чем синхронная скорость, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении относительно вектора прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже 10% скольжения. Ротор будет испытывать скольжение на 200-10% относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. Кривую зависимости крутящего момента от скольжения), за исключением двукратной пульсации частоты, создается вектором, вращающимся в противоположных направлениях.Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора. Если ротор запускается в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, поскольку он приближается к скорости вращающегося в обратном направлении вектора.

Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую клетку, встроенную в цилиндр из стальных пластин, типичных для многофазных асинхронных двигателей.

Двигатель с постоянным разделением конденсаторов

Одним из способов решения проблемы с однофазным двигателем является создание двухфазного двигателя, получающего двухфазное питание от однофазного.Для этого требуется двигатель с двумя обмотками, разнесенными друг от друга на 90, °, , электрический, питаемый двумя фазами тока, смещенными во времени на 90, °, . Это называется конденсаторным двигателем с постоянным разделением.

Рисунок 5.21 Асинхронный двигатель с постоянным разделением конденсаторов

Асинхронный двигатель с постоянным разделением конденсаторов

Этот тип двигателя подвержен увеличенной величине тока и сдвигу во времени назад, когда двигатель набирает скорость, с пульсациями крутящего момента на полной скорости. Решение состоит в том, чтобы конденсатор (импеданс) оставался небольшим, чтобы минимизировать потери.Потери меньше, чем у двигателя с экранированными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до 1/4 лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя может быть адаптирован для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте в этой главе.

Рисунок 5.22 Однофазный асинхронный двигатель со встроенными катушками статора

Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера.Тем не менее, меньшие размеры требуют меньшего количества сложностей для создания концентрированных обмоток с выступающими полюсами.

Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском

На рисунке ниже конденсатор большего размера может использоваться для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку, если он отключается центробежным переключателем, когда двигатель набирает скорость. Кроме того, во вспомогательной обмотке может быть намного больше витков из более тяжелого провода, чем в двигателе с разделенной фазой сопротивления, чтобы уменьшить чрезмерное повышение температуры.В результате для таких тяжелых нагрузок, как компрессоры кондиционеров, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что доступна в многомощных (несколько киловаттных) размерах.

Рисунок 5.23 Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском

Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

Вариант двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) заключается в запуске двигателя с относительно большим конденсатором для высокого пускового момента, но с оставлением конденсатора меньшей емкости на месте после запуска для улучшения рабочих характеристик, не потребляя чрезмерного тока.Дополнительная сложность конденсаторного двигателя оправдана для двигателей большего размера.

Рисунок 5.24 Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

Пусковой конденсатор двигателя может быть неполярным электролитическим конденсатором с двойным анодом, который может представлять собой два последовательно соединенных поляризованных электролитических конденсатора + к + (или — к -). Такие электролитические конденсаторы переменного тока имеют такие высокие потери, что их можно использовать только в прерывистом режиме (1 секунда во включенном состоянии, 60 секунд в выключенном состоянии), например, при запуске двигателя. Конденсатор для работы двигателя должен иметь не электролитическую конструкцию, а полимерный конденсатор с меньшими потерями.

Асинхронный двигатель с двухфазным электродвигателем с сопротивлением

Если во вспомогательной обмотке гораздо меньше витков, меньший провод размещен под углом 90 90 229 ° к главной обмотке, он может запустить однофазный асинхронный двигатель. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка. Может быть получено около 30 ° разности фаз. Эта катушка создает средний пусковой крутящий момент, который отключается центробежным переключателем на 3/4 синхронной скорости.Эта простая (без конденсатора) конструкция хорошо подходит для двигателей мощностью до 1/3 лошадиных сил (250 Вт), управляющих легко запускаемыми нагрузками.

Рисунок 5.25 Сопротивление асинхронного двигателя с расщепленной фазой

Этот двигатель имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем двигатель с экранированными полюсами (следующий раздел), но не такой большой, как двухфазный двигатель, построенный из тех же частей. Плотность тока во вспомогательной обмотке настолько высока во время пуска, что последующий быстрый рост температуры исключает частый перезапуск или медленные пусковые нагрузки.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА предложил корректор коэффициента мощности для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока в середине 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при нагрузке ниже полной. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности меньше единицы возникает из-за тока намагничивания, необходимого для статора. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя по мере уменьшения нагрузки двигателя.При небольшой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив подаваемое напряжение, улучшив коэффициент мощности и эффективность. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери.

Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трехфазные двигатели, существует потенциальная экономия энергии для двигателей 1-φ. Для полностью загруженного двигателя экономии нет, так как требуется весь ток намагничивания статора.Напряжение не может быть уменьшено. Но есть потенциальная экономия от менее чем полностью загруженного двигателя. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 В переменного тока до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе при напряжении более 104 В переменного тока, например, при работе холодильника на 117 В переменного тока. Контроллер коэффициента мощности может безопасно снизить сетевое напряжение до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное напряжение в сети, тем больше потенциальная экономия. Конечно, если энергокомпания подаст напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.

Любой однофазный асинхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода, 25% или менее, является кандидатом на использование корректора коэффициента мощности. Однако он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как на пилораме, штамповочном прессе или конвейере, тем выше вероятность оплаты контроллера через несколько лет эксплуатации. За него должно быть втрое проще платить по сравнению с более эффективным 3-φ-двигателем. Стоимость PFC не может быть возмещена для двигателя, работающего всего несколько часов в день.

Резюме: Однофазные асинхронные двигатели

• Однофазные асинхронные двигатели не могут запускаться самостоятельно без вспомогательной обмотки статора, приводимой в действие противофазным током около 90 ° . После запуска вспомогательная обмотка необязательна.
• Вспомогательная обмотка конденсаторного двигателя с постоянным разделением каналов имеет конденсатор, включенный последовательно с ней во время пуска и работы.
• Асинхронный двигатель с конденсаторным запуском имеет только конденсатор, включенный последовательно со вспомогательной обмоткой во время запуска.
• Двигатель с конденсаторным питанием обычно имеет большой неполяризованный электролитический конденсатор, включенный последовательно со вспомогательной обмоткой для запуска, а затем меньший неэлектролитический конденсатор во время работы.
• Вспомогательная обмотка электродвигателя с расщепленным сопротивлением во время пуска развивает разность фаз по сравнению с основной обмоткой из-за разницы в сопротивлении.

Эквивалентная схема асинхронного двигателя

Эквивалентная цепь статора:

Модель статора асинхронного двигателя состоит из сопротивления фазной обмотки статора R ₁ , реактивного сопротивления утечки фазной обмотки статора X ₁ .Эти два компонента отображаются справа от модели машины. Ток холостого хода I ₀ моделируется чисто индуктивным реактором X ₀ с намагничивающей составляющей I _µ и неиндуктивным резистором R ₀ , переносящим ток потерь в сердечнике I _ω .

Таким образом,

Ток намагничивания в случае асинхронного двигателя выше, чем у трансформатора, потому что воздушный зазор асинхронного двигателя вызывает более высокое сопротивление.

Реактивное сопротивление намагничивания X ₀ в асинхронном двигателе будет иметь гораздо меньшее значение.В трансформаторе I ₀ составляет примерно от 2 до 5% номинального тока, а в асинхронном двигателе — примерно от 25 до 40% номинального тока в зависимости от размера двигателя.

Эквивалентная цепь ротора

:

Это асинхронный двигатель, когда на обмотки статора подается напряжение 3φ, в обмотках ротора машины индуцируется напряжение. Как правило, чем выше относительное движение ротора и магнитных полей статора, тем выше результирующее напряжение на роторе.Максимальное относительное движение происходит, когда ротор неподвижен, это состояние называется состоянием покоя. Это также известно как состояние заблокированного ротора или заблокированного ротора.

Если индуцированное напряжение ротора равно E ₂₀ , то индуцированное напряжение при любом скольжении определяется выражением,

Сопротивление ротора R ₂ постоянно. Это не зависит от скольжения.

Реактивное сопротивление ротора асинхронного двигателя зависит от индуктивности ротора, частоты напряжения и тока ротора.

Если L ₂ = индуктивность ротора, реактивное сопротивление ротора равно

.

 X  2  = 2πf  2  L  2 
Но f  2  = SF  1 
∴ X  2  = 2π sf  1  L  2  = s (2π f  1  L  2 )
Или X  2  = sX  20  

В приведенном выше уравнении X ₂₀ — реактивное сопротивление ротора в состоянии покоя.

Импеданс ротора равен

.

 Z  2s  = R  2  + jX  2s 
Или Z  2s  = R2 + jsX  20  

Ток ротора на каждую фазу равен

.

В схеме, изображенной выше, I ₂ представляет собой ток частоты скольжения, создаваемый индуцированным напряжением sE20 частоты скольжения, действующим в цепи ротора, имеющим полное сопротивление на фазу (R ₂ + jsX ₂₀ ).

Разделив числитель и знаменатель приведенного выше уравнения на промах s, получим

Следует отметить, что величина и фазовый угол I2s остаются неизменными при этой операции.

Это уравнение описывает вторичную цепь фиктивного трансформатора с постоянным соотношением напряжений и одинаковой частотой на обеих сторонах. Этот фиктивный неподвижный ротор проводит тот же ток, что и реальный вращающийся ротор, и, таким образом, производит такое же m.м.ф волна. Эта концепция фиктивного неподвижного ротора позволяет передавать вторичное сопротивление первичной стороне.

Разница между трансформатором и асинхронным двигателем

Асинхронный двигатель — это, по сути, трансформатор — в чем разница?

Асинхронный двигатель — это, по сути, трансформатор , в котором статор является первичным, а ротор замкнутым накоротко вторичным. Это очевидно, особенно когда ротор неподвижен.Ток ротора создает поток, который противодействует и, следовательно, имеет тенденцию ослаблять поток статора. Это заставляет больше тока течь в обмотке статора, так же как увеличение вторичного тока в трансформаторе вызывает соответствующее увеличение первичного тока. Очень часто анализ асинхронного двигателя выполняется на тех же принципах, что и трансформатор, с модификацией, в которой короткозамкнутая вторичная обмотка рассматривается как вращающаяся.

Обратите внимание, что принцип работы трансформатора и асинхронного двигателя одинаков. I.е. Закон Фарадея электромагнитной индукции или взаимной индукции.

В чем разница между трансформатором и асинхронным двигателем, если принцип действия одинаков для обеих машин?

Разница между асинхронным двигателем и трансформатором

1. A Трансформатор — это статическое устройство , тогда как двигатель — это династическая машина , содержащаяся на движущихся частях.
2. Трансформатор передает электрическую мощность из одной цепи в другую без изменения частоты питания, т.е.е. он только повышает или понижает уровень напряжения и тока, тогда как асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию .
3. В трансформаторе частота наведенной ЭДС и тока во вторичной обмотке равна , что и частота питания, то есть первичная и вторичная частота постоянны, в то время как в асинхронном двигателе частота тока и ЭДС на статоре остаются такими же, в то время как Частота ротора является переменной , которая зависит от скольжения, а скольжение дополнительно зависит от нагрузки двигателя.Частота наведенной ЭДС на роторе равна частоте скольжения, умноженной на частоту статора.
4. В трансформаторе входная и выходная энергия (первичная и вторичная) имеет вид , электрическая энергия , тогда как в двигателе энергия питания в роторе имеет электрическую форму, а энергия статора преобразуется в механическую форму . энергии .
5. Трансформатор — это машина с переменным магнитным потоком , а асинхронный двигатель — это машина с вращающимся магнитным потоком .
6. В трансформаторе в основном ферромагнитный железный сердечник используется в качестве среды для прохождения потока от первичной обмотки ко вторичной, тогда как в асинхронном двигателе воздушный зазор используется между ротором и статором .
7. Трансформатор может работать с любым коэффициентом мощности. зависит от нагрузки, в то время как асинхронный двигатель работает с отстающим коэффициентом мощности , поскольку он потребляет отстающий ток для намагничивания ротора, подаваемого при запуске и работе из-за воздушного зазора.
8. A КПД трансформатора всегда выше КПД асинхронного двигателя, потому что в трансформаторе нет движущихся частей, тогда как в асинхронном двигателе возникают механические потери, поскольку это не статическая машина, такая как трансформатор.

Похожие сообщения:

Анализ потока мощности и крутящего момента эквивалентных цепей асинхронного асинхронного двигателя — МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ БОТСВАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

TY — JOUR

T1 — Анализ потока мощности и крутящего момента эквивалентных цепей асинхронного асинхронного двигателя

AU6 — Enesize AU — Zungeru, Adamu Murtala

AU — Abraham-Attah, Paul Obafemi

AU — Ademoh, Isah Agbogunde

PY — 2013

Y1 — 2013

N2 — Асинхронные двигатели используются в бытовых и промышленных целях.В связи с широким спектром областей применения таких двигателей возникает необходимость в тщательном анализе эквивалента их схем. В большинстве исследований, связанных с подобными системами, анализ отсутствует. В этой статье исследуются установившаяся фазовая эквивалентная схема асинхронных асинхронных двигателей, изменения параметров асинхронных двигателей от состояния покоя до рабочих условий и диаграмма потока мощности с целью изучения рабочих характеристик.Также исследуются преимущества асинхронного двигателя с фазным ротором (контактным кольцом) по сравнению с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Было обнаружено, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (IM) имеет низкий пусковой момент и высокий пусковой ток, в то время как IM имеет высокий пусковой ток. крутящий момент и низкий пусковой ток. Поведение системы наблюдается с использованием подхода моделирования, и результаты были проанализированы с помощью MATLAB.

AB — Двигатели асинхронные применяются в бытовых и промышленных целях. В связи с широким спектром областей применения таких двигателей возникает необходимость в тщательном анализе эквивалента их схем.В большинстве исследований, связанных с подобными системами, анализ отсутствует.